[논문 리뷰] The onset of X-ray emission in young stellar objects: a Chandra observation of the Serpens star-forming region

Giovanna Giardino, F. Favata외 3명|ArXiv.org|2006. 11. 16.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 37인용 수 32

한 줄 요약

세르펜스 성성 영역에 대한 체안드라 X선 연구는 여섯 개의 확인된 클래스 0 원성성성에서 X선 방출을 발견하지 못했으며, 일반적인 열두께 조건 하에서 그들의 X선 복사능에 대한 상한선 L_X < 0.4 × 10³⁰ erg s⁻¹을 설정하였다. 결과는 X선 방출이 클래스 I 단계에서 시작됨을 시사하며, 원성성성과 그 주위 원환원반 사이의 자기 재결합에 의해 발생한 강력한 플레어가 6.4 keV Fe Kα 형광을 통해 뒷받침된다.

ABSTRACT

AIMS: To study the properties of X-ray emissions from young stellar objects (YSOs), through their evolution from Class I to Class III and determine whether Class 0 protostars emit in X-rays. METHODS: A deep Chandra X-ray observation of the Serpens star-forming region was obtained. The Serpens Cloud Core is ideally suited for this type of investigation, being populated by a dense and extremely young cluster whose members are found in all different evolutionary stages, including six well studied Class 0 sources. RESULTS: None of the six Class 0 protostars is detected in our observations, excluding the presence of sources with X-ray luminosities &gt; 0.4 10^30 erg/s (for column densities of the order of 4 10^{23} cm^-2, or A_V ~ 200). A total of 85 X-ray sources are detected and the light curves and spectra of 35 YSOs are derived. There is a clear trend of decreasing absorbing column densities as one moves from Class I to Class III sources, and, possibly, evidence of decreasing plasma temperatures, too. We observe a strong, long-duration, flare from a Class II low-mass star, for which we derive a flaring loop length of the order of 20 stellar radii. We interpret the flaring event as originating from a magnetic flux tube connecting the star to its circumstellar disk. The presence of such a disk is supported by the detection, in the spectrum of this star, of 6.4 keV Fe fluorescent emission.

연구 동기 및 목표

• 클래스 0 원성성성이 X선을 방출하는지 여부를 규명하는 것. 이들의 X선 발생 시점은 아직 불확실하다.
• 클래스 I에서 클래스 III에 이르는 주진행선 이전 단계에서 X선 특성(복사능, 온도, 흡수)의 변화를 조사하는 것.
• 젊은 별에서 자기 활동과 원환원반-별 간 상호작용이 X선 플레어 및 방출에 미치는 역할을 조사하는 것.
• YSO의 X선 방출이 자기장에 의한 물질 유입과 원환원반 이온화와 관련이 있다는 가설을 검증하는 것.

제안 방법

• 세르펜스 클라우드 코어에 대한 깊은 90 ks 체안드라 X선 관측을 실시하였으며, 이는 밀도가 높고 젊은 별들이 모든 진화 단계를 포함하는 군집이다.
• 흡수된 열플라즈마 모델(APEC)을 사용하여 스펙트럼 피팅을 수행하고, 6.4 keV Fe Kα 형광선과 같은 추가적인 특징이 있는지 테스트하였다.
• X선 광도 변화 곡선을 분석하여 시간적 변동성을 평가하였으며, 특히 클래스 II 소스에서 장기간 지속된 플레어를 관측하였다.
• 자기 에너지 방출 모델을 가정하고 이중극자 자기장 구성을 기반으로 플레어를 일으키는 고리 길이를 추정하였다.
• 비검출된 상태를 바탕으로 가정된 열두께와 온도를 고려해 클래스 0 소스의 X선 복사능에 대한 상한선을 계산하였다.
• 진화 단계별로 흡수 열두께(N_H), 복사온도(kT), X선 복사능(L_X)을 비교하여 흡수 및 플라즈마 온도의 추세를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 진정한 클래스 0 원성성성이 X선을 방출하는가? 만약 그렇다면 어떤 복사능 수준에서 방출되는가?
• RQ2 클래스 I에서 클래스 III YSO에 이르기까지 X선 복사능, 흡수 열두께, 플라즈마 온도는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 클래스 II 별에서 관측된 X선 플레어는 별과 원환원반을 연결하는 플럭스 튜브 내에서 발생한 자기 재결합으로 설명될 수 있는가?
• RQ4 소스 79의 스펙트럼에서 관측된 6.4 keV Fe Kα 방출선은 플레어에 의해 조명된 광학 두께가 두꺼운 원환원반에서 발생한 형광과 일치하는가?
• RQ5 X선 방출은 젊은 항성계에서 원환원반 물질 유입과 화학 반응을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 세르펜스 클라우드 코어의 여섯 개의 잘 연구된 클래스 0 원성성성에서 X선 방출은 관측되지 않았다.
• 클래스 0 소스의 X선 복사능 상한선은 열두께 약 ~4 × 10²³ cm⁻² 및 플라즈마 온도 약 ~2.5 keV 조건에서 L_X < 0.4 × 10³⁰ erg s⁻¹이다.
• 클래스 II 저질량 별(소스 79)에서 강력하고 장기간 지속된 플레어가 관측되었으며, 유도된 플레어 고리 길이는 10–12 R☉ (~0.1 AU)로 추정되었다.
• 소스 79의 스펙트럼은 등가폭 149 eV인 6.4 keV Fe Kα 형광선을 보이며, 이는 광학 두께가 두꺼운 조명을 받은 원환원반에서의 반사와 일치한다.
• 클래스 I에서 클래스 III YSO로 갈수록 흡수 열두께가 감소하는 명확한 추세를 관측하였으며, 플라즈마 온도 감소의 흐름도 암시된다.
• YSO 계열 간 시간적 변동성에 대한 유의미한 진화적 추세는 발견되지 않았지만, 소스 79의 플레어는 지속 시간과 강도 면에서 뚜렷하게 특별하였다.