[논문 리뷰] Water emission from the high-mass star-forming region IRAS 17233-3606. High water abundances at high velocities

S. Leurini, A. Gusdorf외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 허셜/HIFI 관측을 통해 고질량 원시성성성성성성 IRAS 17233-3606의 활성 분출에서 물과 SiO 방출에 대한 최초의 자기일관성 있는 충격 모델링을 제시한다. 관측 결과, 분수 농도 단위로 물의 농도는 1.2–2.5×10⁻⁵이며, 충격을 겪은 물의 질량은 12.5 M⊕로 추정되며, 최고 농도는 1.4×10⁻⁴에 도달한다. 이는 고속 충격에서 질량 있는 항성 형성 과정 동안 물의 효율적 생성을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the physical and chemical processes at work during the formation of a massive protostar based on the observation of water in an outflow from a very young object previously detected in H2 and SiO in the IRAS 17233-3606 region. We estimated the abundance of water to understand its chemistry, and to constrain the mass of the emitting outflow. We present new observations of shocked water obtained with the HIFI receiver onboard Herschel. We detected water at high velocities in a range similar to SiO. We self-consistently fitted these observations along with previous SiO data through a state-of-the-art, one-dimensional, stationary C-shock model. We found that a single model can explain the SiO and H2O emission in the red and blue wings of the spectra. Remarkably, one common area, similar to that found for H2 emission, fits both the SiO and H2O emission regions. This shock model subsequently allowed us to assess the shocked water column density, N(H2O)=1.2x10^{18} cm^{-2}, mass, M(H2O)=12.5 M_earth, and its maximum fractional abundance with respect to the total density, x(H2O)=1.4x10^{-4}. The corresponding water abundance in fractional column density units ranges between 2.5x10^{-5} and 1.2x10^{-5}, in agreement with recent results obtained in outflows from low- and high-mass young stellar objects.

연구 동기 및 목표

• 고질량 항성 형성의 물리적 및 화학적 과정을 분석함으로써 이해하기 위해, 충격을 겪는 분출에서의 물 방출을 연구한다.
• 근처에 위치한 밝은 고질량 원시성성성성성인 IRAS 17233-3606의 분출에서 물의 농도와 질량을 규명한다.
• 단일 충격 모델이 고속에서의 SiO와 H₂O 방출을 동시에 설명할 수 있는지 테스트한다.
• 충격 유도 화학과 먼지 입자 맨틀의 제거가 고질량 분출에서 물 생성에 미치는 영향을 평가한다.
• 이전에 문헌에서 부족했던 고질량 분출에서의 물 농도와 질량에 대한 기준을 제공한다.

제안 방법

• 허셜 우주 망원경에 탑재된 HIFI 기구를 이용해 고해상도 물 선량을 관측하였다.
• APEX에서 이전에 발표된 SiO(5–4) 및 (8–7) 스펙트럼과 새로운 HIFI 물 데이터를 융합하여 통합 분석을 수행하였다.
• 일차원, 정적인 C-충격 모델을 적용하여 SiO와 H₂O 방출 프로파일을 자기일관적으로 피팅하였다.
• 관측된 선 강도를 재현하기 위해 충격 속도(30 km s⁻¹), 전충격 밀도(10⁶ cm⁻³), 자기장 강도 등의 충격 매개변수를 사용하였다.
• 동일한 충격 모델에서 유도된 H₂의 열량 밀도를 사용하여 물의 열량 밀도와 질량을 계산하였다.
• 다양한 전이에서의 합성 선 프로파일과 관측 스펙트럼을 비교하여 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRAS 17233-3606의 고속 분출에서 관측된 SiO와 H₂O 방출을 동시에 설명할 수 있는 단일 C-충격 모델이 존재하는가?
• RQ2 충격을 겪는 기체에서 물의 분수 농도는 얼마이며, 저질량 및 고질량 분출의 값과 비교해보면 어떠한가?
• RQ3 분출 내에서 물의 총 질량은 얼마이며, 다른 분출에서의 추정치와 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 물의 농도는 충격으로 가열된 영역에서 먼지 맨틀의 제거와 고온 화학 반응을 통한 생성과 일치하는가?
• RQ5 이 고질량 분출의 충격 조건은 빛의 강도와 질량 축적률의 차이에도 불구하고 저질량 원시성성성성과 유사한가?

주요 결과

• 단일 C-충격 모델이 스펙트럼의 빨간색 및 파란색 날개에서 관측된 SiO와 H₂O 방출을 성공적으로 설명하며, 공통된 기원을 시사한다.
• 충격을 겪은 물의 열량 밀도는 1.2×10¹⁸ cm⁻²로 추정되며, 분출 내 총 물 질량은 12.5 M⊕이다.
• 열량 밀도 단위로의 분수 농도는 2.5×10⁻⁵에서 1.2×10⁻⁵ 사이로, 다른 저질량 및 고질량 분출의 값과 일치한다.
• 지역적으로 최고의 분수 농도는 1.4×10⁻⁴에 도달하여, 충격으로 가열된 영역에서의 효율적 생성을 나타낸다.
• 유사한 충격 모델에서 유도된 물의 농도는 일관되며, CO 기반 H₂ 열량 밀도 추정의 불확실성에서 벗어난다.
• 모델 결과는 물질 질량과 빛의 강도가 다른 다른 분출(예: L1157-B1)의 이전 추정치와도 일치한다.