[논문 리뷰] Water in star forming regions with Herschel (WISH) III. Far-infrared cooling lines in low-mass young stellar objects

A. Karska, Gregory J. Herczeg외 23명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 21.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 80인용 수 62

한 줄 요약

이 연구는 WISH 핵심 프로그램의 Herschel-PACS 분광법을 활용하여 18개의 저질량 원성성성성성에서 적외선 원격선 방출을 분석하여, 물과 CO가 가스 냉각 예산을 지배하며, 분포가 비분해성 충격에 의해 유도된 분출 벽을 따라 다른 흥(excitation) 성분을 가짐을 밝혀냈다. 결과적으로 고-지수 CO와 H2O 선 밀도는 블로메트릭 빛의 세기와 강하게 상관관계를 보이며 공통된 물리적 기원을 지닌다. 반면 [O i]와 OH는 내부 막대에서 분해성 충격을 추적하며, 냉각 효율은 Class 0에서 Class I 소스로 갈수록 감소한다.

ABSTRACT

(Abridged) Far-infrared Herschel-PACS spectra of 18 low-mass protostars of various luminosities and evolutionary stages are studied. We quantify their far-infrared line emission and the contribution of different atomic and molecular species to the gas cooling budget during protostellar evolution. We also determine the spatial extent of the emission and investigate the underlying excitation conditions. Most of the protostars in our sample show strong atomic and molecular far-infrared emission. Water is detected in 17 objects, including 5 Class I sources. The high-excitation H2O line at 63.3 micron is detected in 7 sources. CO transitions from J=14-13 up to 49-48 are found and show two distinct temperature components on Boltzmann diagrams with rotational temperatures of ~350 K and ~700 K. H2O has typical excitation temperatures of ~150 K. Emission from both Class 0 and I sources is usually spatially extended along the outflow direction but with a pattern depending on the species and the transition. The H2O line fluxes correlate strongly with those of the high-J CO lines, as well as with the bolometric luminosity and envelope mass. They correlate less strongly with OH and not with [OI] fluxes. The PACS data probe at least two physical components. The H2O and CO emission likely arises in non-dissociative (irradiated) shocks along the outflow walls with a range of pre-shock densities. Some OH is also associated with this component, likely resulting from H2O photodissociation. UV-heated gas contributes only a minor fraction to the CO emission observed by PACS, based on the strong correlation between the shock-dominated CO 24-23 line and the CO 14-13 line. [OI] and some of the OH emission probe dissociative shocks in the inner envelope. The total far-infrared cooling is dominated by H2O and CO, with [OI] increasing for Class I sources.

연구 동기 및 목표

• 저질량 원성성성성에서의 적외선 원격선 방출을 정량화하고, 원소 및 분자 종들이 가스 냉각 예산에 기여하는 비율을 규명하는 것.
• Class 0 및 Class I 소스에서 방출선의 공간적 범위와 흥 조건을 조사하는 것.
• 원성성성성의 내재 단계 동안 에너지가 방출되는 과정과 냉각 메커니즘이 어떻게 진화하는지 이해하는 것.
• 젊은 항성 물체에서 관측된 적외선 원격선을 흥하는 데서 충격과 자외선 가열의 역할을 분리하는 것.

제안 방법

• 18개의 저질량 원성성성성을 다양한 빛의 세기와 진화 단계에서 관측하기 위해 Herschel-PACS 분광법을 사용하였다.
• CO와 H2O의 회전 다이어그램를 구성하여 회전 온도를 유도하고 흥 조건을 평가하였다.
• 다양한 스파크셀을 통해 공간 해상도가 높은 밀도 측정을 수행하여, 밀집된 성분과 확산된 성분을 구분하였다.
• 선 밀도, 블로메트릭 빛의 세기(Lbol), 및 막대 질량(Menv) 간의 상관관계 분석을 통해 물리적 연관성을 추론하였다.
• 방출선 프로파일과 공간 분포를 저-지수 CO 분출 지도와 비교하여 선 방출과 분출 구조 간의 연관성을 규명하였다.
• 충격 및 자외선 가열 모델을 사용하여 관측된 선 비율과 공간 패턴을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 원성성성성에서 H2O, CO, [O i], OH이 적외선 가스 냉각 예산에 기여하는 상대적 기여도는 무엇인가?
• RQ2 다른 종류의 방출선 공간 분포는 분출 구조와 물리적 성분과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ3 관측된 고-지수 CO와 H2O 선을 흥하는 데 필요한 물리적 조건(온도, 밀도, 충격)은 무엇인가?
• RQ4 Class 0에서 Class I 원성성성성으로 갈수록 이러한 선의 흥 및 냉각 특성은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 관측된 적외선 원격선 방출을 일으키는 데서 자외선 가열과 충격 흥의 역할은 각각 무엇인가?

주요 결과

• 물은 18개의 저질량 원성성성성 중 17개에서 검출되었으며, 이 중 5개는 Class I 소스였다. 179.5 µm에서의 212−101 선은 전부 검출되었고, 63.3 µm에서의 818−707 선은 7개의 소스에서 검출되었다.
• CO 선은 J = 14−13에서 J = 48−47까지 검출되었으며, 회전 다이어그램 분석을 통해 약 350 K와 약 700 K의 두 개의 별개 성분이 확인되었다.
• H2O와 CO 방출선은 표본의 절반에서 분출을 따라 공간적으로 확산되어 있으며, 최소 10,000 AU의 규모를 차지한다. 나머지 절반은 1,000 AU 이내에서 밀집된 방출선을 보였다.
• H2O와 고-지수 CO 선 밀도는 블로메트릭 빛의 세기와 막대 질량과 강하게 상관관계를 보이며, 충격에 의해 흥하는 가스에서 공통된 물리적 기원을 지닌다.
• [O i]와 OH 선은 중심 위치에서 피크를 보이며相互 상관관계를 보이지만, H2O나 CO 선 밀도와는 상관관계가 없어, 분해성 충격이 있는 내부 영역을 추적함을 시사한다.
• H2O는 총 적외선 냉각의 25–50% 기여하며, CO는 5–50% 기여한다. [O i]는 5–30% 기여하며, Class I 소스에서 상대적 중요성이 증가한다.