[논문 리뷰] X-Shooter spectroscopy of young stellar objects: V - Slow winds in T Tauri stars

A. Natta, L. Testi외 5명|2014. 06. 21.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 62인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 루푸스와 σ Ori의 44개의 저질량 T 타우리 성운에서 금지 전이 선을 분석하기 위해 X-Shooter 분광법을 사용하여, 속도가 20 km/s 미만인 느린 바람 성분(LVC)을 규명하였다. LVC는 따뜻한 온도(~5000–10,000 K), 높은 밀도(>10⁸ cm⁻³), 그리고 항성 질량에 비례해 증가하는 질량과 부피를 가지며, 축적 빛의 세기와 강하게 상관관계를 보인다. 이는 젊은 항성계에서 바람 모델에 중요한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Disks around T Tauri stars are known to lose mass, as best shown by the profiles of forbidden emission lines of low ionization species. At least two separate kinematic components have been identified, one characterised by velocity shifts of tens to hundreds km/s (HVC) and one with much lower velocity of few km/s (LVC). The HVC are convincingly associated to the emission of jets, but the origin of the LVC is still unknown. In this paper we analyze the forbidden line spectrum of a sample of 44 mostly low mass young stars in Lupus and $σ$-Ori observed with the X-Shooter ESO spectrometer. We detect forbidden line emission of [OI], [OII], [SII], [NI], and [NII], and characterize the line profiles as LVC, blue-shifted HVC and red-shifted HVC. We focus our study on the LVC. We show that there is a good correlation between line luminosity and both L$_{star}$ and the accretion luminosity (or the mass-accretion rate) over a large interval of values (L$_{star}$ $\sim 10^{-2} - 1$ L$_\odot$; L$_{acc}$ $\sim 10^{-5} - 10^{-1}$ L$_\odot$; $\dot M_{acc}$ $\sim 10^{-11} - 10^{-7}$ M$_\odot$/yr). The lines show the presence of a slow wind ($V_{peak}<20$ km/s), dense ($n_H>10^8$ cm$^{-3}$), warm (T$\sim 5000-10000$ K), mostly neutral. We estimate the mass of the emitting gas and provide a value for the maximum volume it occupies. Both quantities increase steeply with the stellar mass, from $\sim 10^{-12}$ M$_\odot$ and $\sim 0.01$ AU$^3$ for M$_{star}$$\sim 0.1$ M$_\odot$, to $\sim 3 imes 10^{-10}$ M$_\odot$ and $\sim 1$ AU$^3$ for M$_{star}$$\sim 1$ M$_\odot$, respectively. These results provide quite stringent constraints to wind models in low mass young stars, that need to be explored further.

연구 동기 및 목표

• T 타우리 항성에서 저속도 성분(LVC) 금지 선 방출의 물리적 성질을 규명하는 것.
• 클래스 II 젊은 항성물체에서 널리 관측되지만 아직 원인 규명되지 않은 LVC의 기원을 조사하는 것.
• LVC 선 빛의 세기와 항성/축적 빛의 세기 간 상관관계를 규명하여 바람 기구를 제약하는 것.
• 이 방출 기체의 질량과 공간적 범위를 추정하여 이론적 바람 모델을 시험하는 것.
• LVC가 저질량 항성에서 자기중심력 기반 디스크 바람인지, 또는 열적 기반 광융해 바람인지 평가하는 것.

제안 방법

• 루푸스와 σ Ori의 44개 T 타우리 항성에 대해 ESO 파라날 관측소의 X-Shooter 기구를 이용해 고해상도 분광법을 확보하였다.
• O i, O ii, S ii, N i, N ii의 금지 전이 선을 분석하여 LVC, 청색 및 빨간색 이동된 HVC 성분을 분리하였다.
• 선형형태를 피팅하여 각 성분의 최고 속도, 반폭(전고도의 절반 지점에서의 폭, FWHM), 그리고 흐름을 추출하였다.
• 선 빛의 세기와 항성 빛의 세기(L_star) 및 축적 빛의 세기(L_acc)를 연계하여 계산하였다.
• 원자선 방출 밀도와 충돌에 의한 자극을 가정하여 방출 기체의 전자 밀도(n_H)와 온도(T)를 추정하였다.
• LVC를 구형 대칭이고 균일한 영역으로 모델링하여 총 질량과 최대 부피를 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T 타우리 항성 바람에서 저속도 성분(LVC)의 물리적 조건(밀도, 온도, 속도)은 무엇인가?
• RQ2 다양한 젊은 항성에서 LVC 금지선 방출 세기와 축적 빛의 세기 및 항성 빛의 세기 간 상관관계는 어떻게 되는가?
• RQ3 LVC의 방출 기체 질량과 공간적 범위는 얼마이며, 항성 질량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 LVC는 자기적으로 구동된 디스크 바람인지, 또는 열적으로 구동된 광융해 바람인지 더 잘 설명하는가?
• RQ5 관측된 LVC 성질은 저질량 주계열 전 항성에서 바람 발생 메커니즘에 대한 이론 모델에 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• LVC 성분은 최고 속도가 20 km/s 미만이어서 느린 바람임을 나타내며, LVC 선 빛의 세기와 L_star(~10⁻²–1 L⊙) 및 L_acc(~10⁻⁵–10⁻¹ L⊙) 간에 강한 상관관계를 보인다.
• 방출 기체는 따뜻한 온도(T ~ 5000–10,000 K), 높은 밀도(n_H > 10⁸ cm⁻³), 주로 중성 상태이며, 디스크 표면 또는 기저 바람 기원과 일치한다.
• 방출 기체 질량은 0.1 M⊙ 항성의 경우 약 10⁻¹² M⊙에서 1 M⊙ 항성의 경우 약 3×10⁻¹⁰ M⊙로 증가하며, 부피는 약 0.01 AU³에서 ~1 AU³로 차지한다.
• LVC 빛의 세기와 축적 속도(Ṁ_acc ~ 10⁻¹¹–10⁻⁷ M⊙/yr) 간의 강한 상관관계는 축적과 바람 질량 손실 간 직접적인 연관성을 시사한다.
• 관측된 LVC 성질은 단순한 광융해 모델과 부합하지 않으며, 오히려 디스크 표면 근처에서 자기적으로 구동된 바람 메커니즘을 지지한다.
• 이 결과는 특히 저질량 T 타우리 항성에서 디스크 바람 발생 메커니즘에 대한 이론 모델에 엄격한 제약 조건을 제공하며, LVC 형성 메커니즘에 대한 향후 모델링의 필요성을 강조한다.