[논문 리뷰] Water and interstellar complex organics associated with the HH 212 protostellar disc - On disc atmospheres, disc winds, and accretion shocks

C. Codella, E. Bianchi외 15명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 20.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 36인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 ALMA 밴드 7 관측을 통해 0.15'' 해상도(60 au)에서 HH 212 원성성계에서 HDO와 CH3CHO를 탐지하여, 디스크 평면 위아래에 위치한 회전하는 유동성 링 구조에서 화학적으로 풍부한 기체를 규명하였다. 운동학적 및 농도 분석 결과는 중심력 장벽 영역에서 발생하는 저속 순환 충격에 의해 복잡한 유기화합물과 물이 기체에 풍부하게 첨가되고 있음을 확인하였으며, 이는 디스크 풍의 초기 형성 단계를 시사한다.

ABSTRACT

The HH 212 protostellar system, in Orion B, has been mapped thanks to ALMA-Band 7 Cycle 1 and Cycle 4 observations of dueterated water (HDO) and acetaldehyde (CH$_3$CHO) emission with an angular resolution down to $\sim$0.15 arcsec (60 au). Many emission lines due to 14 CH$_3$CHO and 1 HDO transitions at high excitation ($E_{ m u}$ between 163 K and 335 K) have been imaged in the inner $\sim$ 70 au region. The local thermal equilibrium analysis of the CH$_3$CHO emission leads to a temperature of 78$\pm$14 K and a column density of 7.6$\pm$3.2 $ imes$ 10$^{15}$ cm$^{-2}$, which, when $N_{ m H_2}$ of 10$^{24}$ cm$^{-2}$ is assumed, leads to an abundance of $X_{ m CH_3CHO}$ $\simeq$ 8 $ imes$ 10$^{-9}$. The large velocity gradient analysis of the HDO emission also places severe constraints on the volume density, n$_{ m H_2}$ $\geq$ 10$^8$ cm$^{-3}$. The line profiles are 5--7 km s$^{-1}$ wide, and CH$_3$CHO and HDO both show a $\pm$ 2 km s$^{-1}$ velocity gradient over a size of $\sim$ 70 au (blue-shifted emission towards the north-west and red-shifted emission towards the south-east) along the disc equatorial plane, in agreement with what was found so far using other molecular tracers. The kinematics of CH$_3$CHO and HDO are consistent with the occurrence of a centrifugal barrier, that is, the infalling envelope-rotating disc ring, which is chemically enriched through low-velocity accretion shocks. The emission radius is $\sim$ 60 au, in good agreement with what was found before for another interstellar complex organic molecule such as NH$_2$CHO. We support a vertical structure for the centrifugal barrier, suggesting the occurrence of two outflowing, expanding, and rotating rings above and below (of about 40-45 au) the optically thick equatorial disc plane. It is tempting to speculate that these rings could probe the basis of a wind launched from this region.

연구 동기 및 목표

• HH 212 원성성성의 내부 70 au 영역에서 기체의 물리적 및 화학적 조건을 조사하기 위해.
• 원성성 디스크 및 주변 영역에서 물(HDO)과 복잡한 유기분자(CH3CHO)의 기원과 분포를 규명하기 위해.
• 운동학적 및 농도 분석을 통해 탐지된 방출이 디스크 풍인지 순환 충격 영역인지 평가하기 위해.
• 약 60 au에서 중심력 장벽이 화학적으로 풍부한 영역이자 풍이 발생할 수 있는 영역이라는 가설을 검증하기 위해.

제안 방법

• 사이클 1과 사이클 4 동안 고감도, 고각해상도의 ALMA 밴드 7 관측을 수행하였다. (0.15'' 해상도, 60 au)
• 14개의 CH3CHO(상위준위 에너지 163–215 K) 및 1개의 HDO(상위준위 에너지 335 K) 전이선을 영상화하여 기체 온도, 밀도, 기체 열량 밀도를 분석하였다.
• CH3CHO 방출에 대해 국소 열역학적 평형(LTE) 분석을 적용하여 흥(excitation) 온도와 기체 열량 밀도를 유도하였다.
• HDO에 대해 대규모 속도 기울기(LVG) 모델링을 사용하여 체적 밀도와 기체 열량 밀도를 제약하였다.
• 디스크 등반 평면을 따라 위치-속도(PV)도를 구성하여 운동학적 특성 분석 및 회전 및 유동 신호 유추를 수행하였다.
• H2 기체 열량 밀도가 10^24 cm^-2로 가정할 때 CH3CHO의 유도된 농도를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HH 212 원성성성의 내부 70 au 영역에서 HDO와 CH3CHO의 공간 분포 및 운동학적 특성은 어떻게 되는가?
• RQ2 기체는 어디서 화학적으로 풍부해졌으며, 어떤 물리적 과정(예: 충격)이 그 원인인가?
• RQ3 방출이 약 60 au에서 중심력 장벽에 해당하는 회전하고 기체가 유동하는 링 구조와 일치하는가?
• RQ4 관측된 방출은 디스크 풍인지 순환 충격 영역에서 기인한 것인가?
• RQ5 유도된 물리적 조건(온도, 밀도, 농도)은 저속 순환 충격 모델과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• CH3CHO는 상위준위 에너지가 163 K에서 215 K 사이인 14개 선에서 탐지되었으며, 이는 기체 온도가 78 ± 14 K이며 기체 열량 밀도가 7.6 ± 3.2 × 10^15 cm^-2임을 시사한다.
• H2 기체 열량 밀도가 10^24 cm^-2로 가정할 경우 유도된 CH3CHO 농도는 X_CH3CHO ≈ 8 × 10^-9이다.
• HDO는 335 K의 상위준위 에너지를 가지며, H2 체적 밀도는 n_H2 ≥ 10^8 cm^-3로 제약되며, N(HDO) ≤ 3 × 10^17 cm^-2이다.
• CH3CHO와 HDO 모두 약 70 au 구간에서 ±2 km s^-1의 속도 기울기를 보이며, 북서쪽으로 파랑 시프트된 방출과 남동쪽으로 빨간 시프트된 방출이 관측되어, 회전과 유동과 일치한다.
• 방출 반경은 약 60 au이며, 이는 이전의 NH2CHO 측정값과 옹기 두꺼운 디스크 반경과 뛰어난 일치를 보이며 중심력 장벽이 기원 영역임을 지지한다.
• 디스크 평면에서 40–50 au 이상 위아래로 연장된 방출은 중심력 장벽에 수직적인 두 개의 링으로서의 구조를 지지하며, 이는 디스크 풍의 기초를 시사한다.