[논문 리뷰] Water in star-forming regions with Herschel (WISH) V. The physical conditions in low-mass protostellar outflows revealed by multi-transition water observations

J. C. Mottram, L. E. Kristensen외 18명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 19.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 81인용 수 30

한 줄 요약

이 연구는 29개의 저질량 Class 0/I 원성성성성성에 대해 고해상도 Herschel HIFI 스펙트럼을 이용해 여러 수증기 전이를 분석하여 분출 충격에서의 물리 조건을 제약한다. 연구 결과, 원성성성성성에서 수증기 방출은 제트 내 J-충격과 공극 벽면 내 C-충격이라는 두 가지 구분되는 충격 성분을 반영하며, 이 둘은 유사한 충격 후 H2 밀도(10⁵–10⁸ cm⁻³)와 H2O 기둥 밀도(10¹⁶–10¹⁸ cm⁻²)를 가지지만 기하학적 형태와 함몰 비율에서 다름을 밝혀냈다. 이는 10–200 AU 크기의 밀집된 방출 영역(점 충격)과 1–30 AU 두께의 얇은 층(공극 충격)을 의미한다.

ABSTRACT

Context: Outflows are an important part of the star formation process as both the result of ongoing active accretion and one of the main sources of mechanical feedback on small scales. Water is the ideal tracer of these effects because it is present in high abundance in various parts of the protostar. Method: We present extit{Herschel} HIFI spectra of multiple water-transitions towards 29 nearby Class 0/I protostars as part of the WISH Survey. These are decomposed into different Gaussian components, with each related to one of three parts of the protostellar system; quiescent envelope, cavity shock and spot shocks in the jet and at the base of the outflow. We then constrain the excitation conditions present in the two outflow-related components. Results: Water emission is optically thick but effectively thin, with line ratios that do not vary with velocity, in contrast to CO. The physical conditions of the cavity and spot shocks are similar, with post-shock H$_{2}$ densities of order 10$^{5}-$10$^{8}$\,cm$^{-3}$ and H$_{2}$O column densities of order 10$^{16}-$10$^{18}$\,cm$^{-2}$. H$_{2}$O emission originates in compact emitting regions: for the spot shocks these correspond to point sources with radii of order 10-200\,AU, while for the cavity shocks these come from a thin layer along the outflow cavity wall with thickness of order 1-30\,AU. Conclusions: Water emission at the source position traces two distinct kinematic components in the outflow; J shocks at the base of the outflow or in the jet, and C shocks in a thin layer in the cavity wall. Class I sources have similar excitation conditions to Class 0 sources, but generally smaller line-widths and emitting region sizes. We suggest that it is the velocity of the wind driving the outflow, rather than the decrease in envelope density or mass, that is the cause of the decrease in H$_{2}$O intensity between Class 0 and I.

연구 동기 및 목표

• 다중 전이 수증기 방출을 이용하여 저질량 원성성성성성 분출의 물리 조건을 제약하기 위해.
• 속도 해상도가 높은 스펙트럼을 활용하여 분출-제트 시스템 내 공극 충격과 점 충격 성분을 구분하기 위해.
• 비-LTE 복사전달 모델링을 통해 분출 관련 성분의 진동 조건을 정량화하기 위해.
• Class 0와 Class I 원성성성성성 간 물리 조건을 비교하고 관측된 H2O 강도 감소를 설명하기 위해.
• 기하학적 특성과 충격 성질의 차이를 고려함으로써 원소스 및 비원소스 충격 진단 간 괴리를 해결하기 위해.

제안 방법

• WISH Key Programme에 속한 29개의 Class 0/I 원성성성성성에 대해 다수의 수증기 전이에 대해 속도 해상도가 높은 Herschel HIFI 스펙트럼을 확보하였다.
• 스펙트럼 선을 세 부분으로 분해하여 각각의 시스템 구성 요소인 안정된 엔벨롭, 공극 충격, 제트 내 점 충격에 해당하는 가우시안 성분으로 분리하였다.
• 비-LTE 복사전달 모델링(RADEX)을 적용하여 두 분출 관련 성분의 진동 조건을 제약하였다.
• 선 비율과 광학 두께 추정치(예: 988 GHz에서의 τ)를 사용하여 수증기 방출의 광학 두께와 진동 상태를 평가하였다.
• 원소스 충격 조건을 비원소스 측정치와 비교하여 기하학적 특성과 충격 성질의 차이를 규명하였다.
• 바람 속도, 엔벨롭 밀도, 질량이 Class 0에서 Class I 원성성성성성으로의 H2O 강도 변화에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 원성성성성성 분출의 공극 및 점 충격 성분에서의 물리 조건(온도, 밀도, 기둥 밀도)은 무엇인가?
• RQ2 원소스 수증기 방출의 진동 조건은 비원소스 충격 영역의 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 유사한 진동 조건에도 불구하고 H2O 선 강도가 Class 0에서 Class I 원성성성성성으로 감소하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 충격 기하학적 형태와 함몰 비율이 관측된 수증기 선 프로파일과 광학 두께에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 J-충격(제트)와 C-충격(공극 벽면)의 물리적 성질은 밀도, 온도, 방출 영역 크기 측면에서 어떻게 다름?

주요 결과

• 원성성성성성에서 수증기 방출은 광학적으로 두꺼운 편이지만 효과적으로 얕은 편이며, 선 비율이 속도에 의존하지 않아 CO와 다름.
• 공극 충격과 점 충격은 유사한 충격 후 H2 밀도(10⁵–10⁸ cm⁻³)와 H2O 기둥 밀도(10¹⁶–10¹⁸ cm⁻²)를 가지며, 이는 유사한 진동 조건을 의미함.
• 점 충격은 10–200 AU 반경의 밀집된 영역에서 기인하고, 공극 충격은 분출 공극 벽면을 따라 1–30 AU 두께의 얇은 층에서 기인함.
• Class I 원성성성성성은 Class 0 원성성성성성과 유사한 진동 조건을 보이지만, 선 폭은 좁고 방출 영역 크기는 작아 짐.
• Class 0에서 Class I로의 H2O 강도 감소는 엔벨롭 밀도 또는 질량 감소 때문이 아니라 제트 내 바람 속도 때문임.
• 원소스 및 비원소스 충격 진단 간 괴리는 충격 성질과 기하학적 형태의 차이에서 기인하며, 원소스 영역은 더 높은 함몰 비율을 가지며 비원소스 측정치에서는 더 낮은 기둥 밀도를 보임.