[논문 리뷰] Water in star-forming regions with Herschel (WISH). IV. A survey of low-J H2O line profiles toward high-mass protostars

F. van der Tak, L. Chavarría외 5명|Chalmers Publication Library (Chalmers University of Technology)|2013. 04. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 33

한 줄 요약

이 연구는 19개의 고질량 원성운에 대해 허셸/HIFI를 이용한 저-자수선 스펙트로스코픽 관측을 수행하여, 다중 가우시안 피팅을 통해 원반, 분출, 선경구름의 발광 및 흡수 성분을 분리하였다. 주요 발견은 기저 상태의 수증기 선이 복사원천의 밝기나 질량과 강한 추세를 보이지 않으며 외부 원반 물질을 추적함을 시사하며, 987 GHz의 자극 상태 선은 복사원천의 밝기와 적외선 영역에서의 복사 밀도와 증가하는 경향을 보여, 온도 추적자 및 고적색변위 탐지 지표로서의 유용성을 시사한다.

ABSTRACT

To understand the origin of water line emission and absorption during high-mass star formation, we decompose high-resolution Herschel-HIFI line spectra toward 19 high-mass star-forming regions into three distinct physical components. Protostellar envelopes are usually seen as narrow absorptions or emissions in the H2O 1113 and 1669 GHz ground-state lines, the H2O 987 GHz excited-state line, and the H2O-18 1102 GHz ground-state line. Broader features due to outflows are usually seen in absorption in the H2O 1113 and 1669 GHz lines, in 987 GHz emission, and not seen in H2O-18, indicating a low column density and a high excitation temperature. The H2O 1113 and 1669 GHz spectra show narrow absorptions by foreground clouds along the line of sight, which have a low column density and a low excitation temperature, although their H2O ortho/para ratios are close to 3. The intensities of the H2O 1113 and 1669 GHz lines do not show significant trends with luminosity, mass, or age. In contrast, the 987 GHz line flux increases with luminosity and the H2O-18 line flux decreases with mass. Furthermore, appearance of the envelope in absorption in the 987 GHz and H2O-18 lines seems to be a sign of an early evolutionary stage. We conclude that the ground state transitions of H2O trace the outer parts of the envelopes, so that the effects of star formation are mostly noticeable in the outflow wings. These lines are heavily affected by absorption, so that line ratios of H2O involving the ground states must be treated with caution. The average H2O abundance in high-mass protostellar envelopes does not change much with time. The 987 GHz line appears to be a good tracer of the mean weighted dust temperature of the source, which may explain why it is readily seen in distant galaxies.

연구 동기 및 목표

• 저-자수선 수증기 선 프로파일을 이용하여 고질량 원성운 환경의 물리적 및 운동학적 성분을 규명하는 것.
• 수증기 선 프로파일에서 원성운 원반, 이중분출, 선경구름의 기여를 분리하는 것.
• 수증기 선 특성들이 복사원천의 밝기, 원반 질량, 적외선 영역 복사 밀도에 따라 어떻게 변화하는지 평가하는 것.
• 원성운 단계의 진화적 경향을 수증기 선 프로파일의 변화를 통해 조사하는 것.
• 선 밝기 및 자극 상태 행동을 기반으로 고적색변위 은하에서의 수증기 선 탐지 가능성 평가하기

제안 방법

• 허셸/HIFI 기구를 이용하여 저-자수선 수증기 전이(1113, 1669, 987 GHz)의 스펙트로스코픽 관측을 수행하였다.
• 복잡한 선 프로파일을 원반, 분출, 선경구름의 기여로 분해하기 위해 다중 가우시안 피팅을 적용하였다.
• 1113 및 1669 GHz 기저 상태 선은 복사원천의 밝기, 원반 질량, 적외선 영역 복사 밀도와의 추세를 분석하였다.
• 987 GHz 자극 상태 선은 복사원천의 밝기 및 60 및 100 µm에서의 적외선 복사 밀도와의 상관관계를 분석하여 소스 온도에 대한 민감도를 평가하였다.
• 원반 질량 증가에 따른 H2 18O 기저 상태 선 프로파일 변화를 분석하여 시간에 따른 수증기 농도 안정성 추론하였다.
• 중간 적외선 밝기 및 L_bol / M_env 비율을 통해 진화 단계를 조사하였으며, 선 프로파일 형태를 소스 연령과 연관지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 원성운에서 수증기 선 프로파일은 원반, 분출, 선경구름의 기여를 어떻게 반영하는가?
• RQ2 기저 상태 수증기 선 강도나 너비는 복사원천의 밝기, 원반 질량, 적외선 복사 밀도와 상관관계가 있는가?
• RQ3 987 GHz 자극 상태 수증기 선은 소스의 밝기 및 적외선 복사 밀도와 어떻게 변화하며, 이는 고적색변위 탐지에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 원반 질량 증가에 따라 H2 18O 기저 상태 선이 발광에서 흡수로 전환되는 것은 시간에 따라 수증기 농도가 일정하다는 것을 시사하는가?
• RQ5 수증기 선 프로파일 형태(예: 흡수 대비 발광)는 원성운 진화 단계에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 1113 및 1669 GHz 기저 상태 수증기 선은 복사원천의 밝기, 원반 질량, 적외선 복사 밀도와 유의미한 추세를 보이지 않으며, 항성 형성 영향이 최소한인 외부 원반 물질을 추적함을 시사한다.
• 기저 상태 선의 넓은 날개는 뚜렷이 이중분출과 관련되어 있으며, 분출 운동학의 추적자로서의 역할을 확인한다.
• 987 GHz 자극 상태 수증기 선은 복사원천의 밝기 및 60 및 100 µm에서의 적외선 복사 밀도와 함께 시스템적으로 선 밀도가 증가함을 보여, 더 따뜻하고 활동적인 영역을 추적함을 시사한다.
• H2 18O 기저 상태 선은 원반 질량 증가에 따라 발광에서 흡수로 전환되며, 원성운 원반 내 수증기 농도가 시간에 따라 상대적으로 일정함을 시사한다.
• 젊은 원성운(높은 L_bol / M_env)은 모든 수증기 선에서 순수한 흡수 프로파일을 보이며, 더 진화한 소스는 하나 이상의 선에서 발광을 보여, 선 프로파일 형태의 명확한 진화적 변화를 나타낸다.
• 수축 또는 팽창 서명(P Cygni 프로파일)은 진화 단계와 상관관계가 없으며, 이 샘플에서는 이러한 운동이 진화 지표로 신뢰할 수 없다는 것을 시사한다.