[논문 리뷰] The physical and chemical structure of Sagittarius B2. II. Continuum millimeter emission of SgrB2(M) and SgrB2(N) with ALMA

Á. Sánchez-Monge, P. Schilke외 9명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2017. 04. 06.

Bee Products Chemical Analysis참고 문헌 3인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 ALMA의 고해상도 1.3 mm 연속분포 관측을 이용해 Sgr B2(M) 및 Sgr B2(N) 고질량 성간영역에서 먼지와 이온화된 기체의 복사원을 맵핑하며, 각각 27개와 20개의 연속분포원을 발견하였다. Sgr B2(N)는 필라멘터리한 유입 흐름을 가진 주요 질량핵을 지닌 반면, Sgr B2(M)는 다수의 조각으로 나뉘어져 있다. 두 영역 모두 높은 H₂ 밀도(~10⁷–10⁹ cm⁻³)를 보이며, 화학적 빈도는 질량과 발광도와 관련이 있으며, 1 GHz당 최대 100개의 선과 총 발광도의 35%가 스펙트럼선에서 기인한다.

ABSTRACT

The high-mass star forming sites SgrB2(M) and SgrB2(N) have been the target of numerous studies, revealing e.g. a rich chemistry. We want to characterize their physical and chemical structure using ALMA high-angular resolution observations at mm wavelengths, reaching spatial scales of about 4000 au, and covering the whole band 6 (from 211 to 275 GHz). In order to determine the continuum emission in line-rich sources, we use a new statistical method: STATCONT. We detect 27 continuum sources in SgrB2(M) and 20 in SgrB2(N). We study the continuum emission across the ALMA band 6, and compare it with previous SMA 345 GHz and VLA 40 GHz observations, to study the nature of the sources detected. The brightest sources are dominated by (partially optically thick) dust emission, while there is an important degree of contamination from ionized gas free-free emission in weaker sources. While the total mass in SgrB2(M) is distributed in many fragments, most of the mass in SgrB2(N) arises from a single object, with filamentary-like structures converging towards the center. There seems to be a lack of low-mass dense cores in both regions. We determine H2 volume densities for the cores of about 10^5-10^7 Msun pc^-3, one to two orders of magnitude higher than the stellar densities of super star clusters. In general, SgrB2(N) is chemically richer than SgrB2(M). There seems to be a correlation between the chemical richness and the mass of the fragments, with more massive clumps being more chemically rich. Both SgrB2(N) and SgrB2(M) harbour a cluster of hot molecular cores. We compare the continuum images with predictions from a detailed 3D radiative transfer model that reproduces the structure of SgrB2 from 45 pc down to 100 au. This dataset, together with ongoing projects in the range 5 to 200 GHz, better constrain the 3D structure of SgrB2, and allow us to understand its physical and chemical structure.

연구 동기 및 목표

• 고각해상도 ALMA 관측을 통해 Sgr B2(M) 및 Sgr B2(N) 고질량 성간영역의 물리적·화학적 구조를 규명하기 위해.
• ALMA 밴드 6(211–275 GHz)에서 스펙트럼 지수 분석을 통해 먼지 연속분포와 이온화 기체의 자유-자유 복사원을 분리하기 위해.
• 양 영역 내 밀도핵의 질량 분포, H₂ 체적밀도 및 표면밀도를 결정하기 위해.
• 밀리미터 스펙트럼선에서의 선 밀도 및 발광도 기여율을 분석하여 탐지된 천체의 화학적 빈도를 평가하기 위해.
• ALMA 연속분포 및 스펙트럼 지수 맵을 3차원 복사전달 모델과 비교하여 Sgr B2의 3차원 구조를 검증하고 보완하기 위해.

제안 방법

• 0.4 arcsecond 해상도(~4000 au)로 ALMA 밴드 6(211–275 GHz)에서 비편향적인 스펙트럼선 조사 시행하여 소규모 구조를 탐지 가능하게 하였음.
• 선 농도가 높은 데이터 큐브에서 연속분포를 추출하기 위해 STATCONT 통계적 방법 적용하여 선 오염 최소화.
• ALMA 밴드 6 전체 범위에서 연속분포 강도를 바탕으로 스펙트럼 지수 유도하여 먼지 복사원(α ≈ 2–4)과 이온화 기체 복사원(α < 0 또는 > 4)을 구분.
• SMA 345 GHz 및 VLA 40 GHz 연속분포 관측과의 교차 매칭을 통해 이온화 기체 기여도 식별.
• 복사전달 및 유량 모델링을 이용해 먼지 및 이온화 기체 질량, H₂ 체적밀도 및 표면밀도 추정.
• 관측된 연속분포 및 스펙트럼 지수 맵을 45 pc에서 100 au까지의 스케일을 포함하는 3차원 복사전달 모델 예측과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ALMA의 1.3 mm 관측에서 Sgr B2(M) 및 Sgr B2(N)의 연속분포원의 공간 분포 및 성격(먼지 vs. 이온화 기체)은 어떻게 되는가?
• RQ2 Sgr B2(M) 및 Sgr B2(N)의 연속분포원의 스펙트럼 지수가 어떻게 변화하며, 이는 주요 복사 메커니즘을 어떻게 드러내는가?
• RQ3 Sgr B2(M) 및 Sgr B2(N)의 밀도핵에서 질량 분포와 H₂ 밀도 구조는 어떠한가? 초거대 별집단과 비교하면 어떻게 되는가?
• RQ4 화학적 빈도(선 밀도 및 발광도 기여율)와 질량 또는 밀도와 같은 물리적 성질 사이에 상관관계가 있는가?
• RQ5 관측된 ALMA 연속분포 및 스펙트럼 지수 맵은 Sgr B2의 3차원 복사전달 모델 예측과 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• ALMA의 0.4 arcsecond 해상도로 Sgr B2(M)에서 27개, Sgr B2(N)에서 20개의 연속분포원이 탐지되었으며, 4000 au 스케일의 구조를 해상도로 분리할 수 있었다.
• 두 영역의 가장 밝은 천체들은 광학적으로 두꺼운 정도의 먼지 복사원에 의해 지배되며, 더 어두운 천체들은 이온화 기체의 자유-자유 복사원에 의해 상당한 오염을 받고 있다.
• Sgr B2(N)에는 질량 약 9000 M☉의 주요 핵(AN01)이 0.05 pc 영역 내에 존재하여 총 질량의 약 73%를 차지하며, Sgr B2(M)는 다수의 조각으로 질량이 분포되어 있다.
• 핵 내 H₂ 체적밀도는 10⁷에서 10⁹ cm⁻³(또는 10⁵에서 10⁷ M☉ pc⁻³)의 범위를 가지며, 초거대 별집단의 별 밀도보다 1~2개 정도의 오르도 높다.
• Sgr B2(N)는 Sgr B2(M)보다 화학적으로 더 빈도가 높으며, 가장 화학적으로 빈도가 높은 천체는 1 GHz당 약 100개의 스펙트럼선과 총 발광도의 최대 35%가 스펙트럼선에서 기인한다.
• 화학적 빈도와 핵 질량/밀도 사이에 정적 상관관계가 존재하며, 이는 저질량 천체가 감도 한계로 인해 화학적으로 덜 빈도가 높게 보일 수 있고, 이는 본질적인 성질 때문이 아니라 감도 제한 때문일 수 있음을 시사한다.