[논문 리뷰] The complete far-infrared and submillimeter spectrum of the Class 0 protostar Serpens SMM1 obtained with Herschel. Characterizing UV-irradiated shocks heating and chemistry

J. R. Goicoechea, J. Cernicharo외 9명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 60인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 허셜을 이용하여 Class 0 원형성성성운 Serpens SMM1의 첫 번째 완전한 적외선 및 밀리미터파 스펙트럼 스캔을 제시하며, CO, H2O, OH 및 원자 미세구조선의 145개 이상의 방출선을 검출하였다. 데이터는 충격가스에서 세 가지 온도 성분(800 K, 375 K, 150 K)을 드러내며, 자외선 조사된 분해성 및 비분해성 J-충격이 [O i], OH 및 H2O의 에너지 준위와 화학 반응을 설명한다. 고기체 밀도(>5×10⁶ cm⁻³)와 낮은 CO 및 H2O 농도(≤10⁻⁴ 및 ≤0.5×10⁻⁵)가 유추된다.

ABSTRACT

We present the first complete 55-671 um spectral scan of a low-mass Class 0 protostar (Serpens SMM1) taken with the PACS and SPIRE spectrometers on board Herschel. More than 145 lines have been detected, most of them rotationally excited lines of 12CO (full ladder from J=4-3 to 42-41), H2O, OH, 13CO, HCN and HCO+ . Bright [OI]63,145um and weaker [CII]158 and [CI]370,609um lines are also detected. Mid-IR spectra retrieved from the Spitzer archive are also first discussed here, they show clear detections of [NeII], [FeII], [SiII] and [SI] fine structure lines as well as weaker H2 S(1) and S(2) pure rotational lines. The observed line luminosity is dominated by CO (~54%), H2O (~22%), [OI] (~12%) and OH (~9%) emission. A non-LTE radiative transfer model allowed us to quantify the contribution of the 3 different temperature components suggested by the 12CO rotational ladder (Tk(hot)~800 K, Tk(warm)~375 K and Tk(cool)~150 K). Gas densities n(H2)~5x10^6 cm^-3 are needed to reproduce the observed far-IR lines arising from shocks in the inner protostellar envelope for which we derive upper limit abundances of x(CO)~10^-4, x(H2O)~0.2x10^-5 and x(OH)~10^-6. The lower energy submm 12CO and H2O lines show more extended emission that we associate with the cool entrained outflow gas. Fast dissociative J-shocks (v_s > 60 km s^-1) as well as lower velocity non-dissociative shocks (v_s < 20 km s^-1) are needed to explain both the atomic lines and the hot CO and H2O lines respectively. Observations also show the signature of UV radiation and thus, most observed species likely arise in UV-irradiated shocks. Dissociative J-shocks produced by an atomic jet are the most probable origin of [OI] and OH emission and of a significant fraction of the warm CO emission. In addition, H2O photodissociation in UV-irradiated non-dissociative shocks can also contribute to the [OI] and OH emission.

연구 동기 및 목표

• 완전한 적외선 및 밀리미터파 스펙트럼 조사에 기반해 저질량 Class 0 원형성성성운의 내부 환경에서 물리적 및 화학적 조건을 규명하기 위해.
• CO, H2O, OH 및 원자 미세구조선의 주요 분자에 대한 에너지 준위와 화학 반응에 기여하는 충격과 자외선 복사의 기여를 분리하기 위해.
• 다성분 복사 전달 모델링을 통해 충격가스의 온도, 밀도 및 분자 농도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 55에서 671 μm 사이의 완전한 스펙트럼 스캔이 허셜의 PACS 및 SPIRE 분광계를 사용하여 확보되었으며, 고에너지 준위 전이의 검출이 가능했다.
• 12 CO 회전 래더 및 기타 분자선에 대해 다성분 비-LTE 복사 전달 모델을 적용하여 기체 온도(T_k) 및 밀도(n(H2))를 유도하였다.
• 12 CO 회전도는 세 가지의 명백한 온도 성분(800 K 정도의 뜨거운, 375 K 정도의 따뜻한, 150 K 정도의 차가운)을 유추하는 데 사용되었다.
• 스피처 자료의 중간 적외선 스펙트럼을 분석하여 미세구조선(예: [Ne ii], [Fe ii], [Si ii], [S i]) 및 H2 회전선을 탐지하였다.
• 고-J CO, H2O 및 OH 선의 에너지 준위를 해석하기 위해 충격 모델을 사용하였으며, 고속 분해성 J-충격(v_s > 60 km s⁻¹)과 저속 비분해성 충격(v_s ≤ 20 km s⁻¹)을 구분하였다.
• 약한 [C ii] 및 [C i] 선의 탐지와 높은 HCO⁺/HCN 농도 비율을 통해 자외선 조사된 충격 환경의 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전한 적외선 및 밀리미터파 스펙트럼을 통해 드러난 Class 0 원형성성성운 Serpens SMM1의 내부 환경에서 물리적 조건(온도, 밀도, 열량 밀도)은 무엇인가요?
• RQ2 관측된 고에너지 준위 분자선들(예: CO J=42-41, H2O는 E_u/k=1036 K까지)과 원자 미세구조선(예: [O i]63 μm)의 기원은 무엇인가요?
• RQ3 특히 분해성 및 비분해성 J-충격을 포함한 자외선 조사된 충격이 H2O, OH 및 [O i]의 관측된 화학 반응과 에너지 준위를 어느 정도 설명할 수 있나요?
• RQ4 유도된 분자 농도(CO, H2O, OH)는 차가운 구름이나 완전히 차단된 고온핵에서 예상되는 값과 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ5 내재된 원자 제트와 분출 캐비티 벽이 관측된 선 방출과 화학 분포를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• 12 CO 회전도는 세 가지 명백한 온도 성분을 드러내며, T_k^hot ≈ 800 K, T_k^warm ≈ 375 K, T_k^cool ≈ 150 K로 나타나, 여러 가지 가열 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 뜨거운 및 따뜻한 성분의 기체 밀도는 n(H2) ≥ 5 × 10⁶ cm⁻³로 추정되며, 이는 내부 환경의 고밀도 충격가스와 일치한다.
• 뜨거운 + 따뜻한 성분에서의 상한 농도는 CO에 대해 x(CO) ≤ 10⁻⁴, H2O에 대해 x(H2O) ≤ 0.5 × 10⁻⁵, OH에 대해 x(OH) ≤ 10⁻⁶로 H2에 대한 비율로 나타내어, 고에너지 준위임에도 불구하고 낮은 물의 농도임을 시사한다.
• [O i]63 μm 선은 가장 밝은 방출선이며, 내재된 원자 제트에서 기인한 고속 분해성 J-충격(v_s > 60 km s⁻¹)에 의해 가장 잘 설명된다.
• 고에너지 H2O 선(최대 E_u/k = 1036 K까지)은 저속 비분해성 충격(v_s ≤ 20 km s⁻¹)과 일치하며, 자외선 조사된 캐비티 벽에서 H2O의 광분해가 OH 및 [O i] 방출에 기여함을 시사한다.
• 중간 적외선에서 [Ne ii], [Fe ii], [Si ii], [S i] 미세구조선의 탐지와 함께 약한 [C ii] 및 [C i]의 탐지로 자외선 복사장이 존재함을 확인하였으며, 이는 대부분의 관측된 종들이 자외선 조사된 충격에서 기인함을 시사한다.