[论文解读] APEX observations of supernova remnants - I. Non-stationary MHD-shocks in W44

S. Anderl, A. Gusdorf+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2014

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 66被引用 7

一句话总结

本研究利用阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列（APEX）对超新星遗迹W44中W44E和W44F区域的CO跃迁（3–2）至（7–6）进行亚毫米波观测，分析分子云中非定常磁流体力学（MHD）激波。通过在大速度梯度近似下拟合MHD激波模型与辐射转移的网格，发现激波速度为20–35 km s⁻¹、激波前密度为10⁴ cm⁻³、磁场强度为100–200 μG时，最能重现观测到的谱线辐射，激波年龄在1,000至3,000年之间，每 beam 的激波气体质量为1–2 M☉。

ABSTRACT

Aims. The interaction of supernova remnants (SNRs) with molecular clouds gives rise to strong molecular emission in the far-IR and sub-mm wavelength regimes. The application of MHD shock models in the interpretation of this line emission can yield valuable information on the energetic and chemical impact of supernova remnants. Methods. New mapping observations with the APEX telescope in CO (3-2), (4-3), (6-5), (7-6) and 13CO (3-2) towards two regions in the supernova remnant W44 are presented. Integrated intensities are extracted on five different positions, corresponding to local maxima of CO emission. The integrated intensities are compared to the outputs of a grid of models, which combine an MHD shock code with a radiative transfer module based on the large velocity gradient approximation. Results. All extracted spectra show ambient and line-of-sight components as well as blue- and red-shifted wings indicating the presence of shocked gas. Basing the shock model fits only on the highest-lying transitions that unambiguously trace the shock-heated gas, we find that the observed CO line emission is compatible with non-stationary shocks and a pre-shock density of 10^4 cm-3. The ages of the modelled shocks scatter between values of \sim1000 and \sim3000 years. The shock velocities in W44F are found to lie between 20 and 25 km/s, while in W44E fast shocks (30-35 km/s) as well as slower shocks (\sim20 km/s) are compatible with the observed spectral line energy diagrams. The pre-shock magnetic field strength components perpendicular to the line of sight in both regions have values between 100 and 200 \muG. Our best-fitting models allow us to predict the full ladder of CO transitions, the shocked gas mass in one beam as well as the momentum- and energy injection.

研究动机与目标

• 利用高J CO发射线研究超新星遗迹冲击分子云的物理与化学条件。
• 确定激波模型是否能重现W44中观测到的CO谱线辐射，特别是亚毫米波段的辐射。
• 约束相互作用区域中激波参数，如速度、年龄、密度和磁场强度。
• 估算激波向星际介质注入的动量与能量。
• 评估当前建模因冲击追踪跃迁有限及一维假设带来的局限性。

提出的方法

• 使用APEX望远镜对W44中两个区域（W44E和W44F）的12 CO（3–2）、（4–3）、（6–5）、（7–6）以及13 CO（3–2）进行映射观测。
• 从两个区域CO发射的五个局部极大值中提取积分线强度，以分离激波成分。
• 将MHD激波模型网格与大速度梯度近似下的辐射转移模块结合，模拟谱线辐射。
• 仅使用最高能级的CO跃迁（6–5和7–6）进行模型拟合，因其对激波加热气体最敏感。
• 基于谱线能量图及与观测到的线翼和不对称性的匹配度，选择最佳拟合模型。
• 在模型中增加后激波气体层，以解释低J CO发射，弥补一维建模的局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种物理条件（密度、速度、磁场）最能重现W44超新星遗迹相互作用区域中观测到的CO谱线辐射？
• RQ2 W44中的激波是否与非定常MHD激波模型一致？其估算年龄为何？
• RQ3 在W44E和W44F区域中，每 beam 的激波气体质量、动量与能量注入量是多少？
• RQ4 W44E与W44F中激波速度与磁场强度有何差异？这些差异对激波动力学有何启示？
• RQ5 当前观测与建模在多大程度上因冲击追踪跃迁使用有限而存在参数退化问题？

主要发现

• W44E与W44F中观测到的CO谱线辐射最能由年龄约为1,000至3,000年的非定常MHD激波解释。
• 在W44E与W44F的所有最佳拟合模型中，激波前气体密度均被约束在10⁴ cm⁻³。
• W44F中的激波速度范围为20至25 km s⁻¹，而W44E的模型也显示20–25 km s⁻¹的激波，以及速度为30–35 km s⁻¹的更快激波。
• 在两个区域中，视线方向垂直的激波前磁场强度估计为100–200 μG，其中W44F的磁场强度始终为200 μG。
• 在W44E与W44F中，每 beam 的激波气体质量估计为1–2 M☉，表明相互作用区域存在显著的能量耗散。
• 每 beam 的能量注入量估计为1–8 × 10⁴⁵ erg，动量注入量为1–5 × 10⁶ M☉ cm s⁻¹，对应于观测区域内总超新星能量的一定比例。