[論文レビュー] Dust, Ice and Gas in Time (DIGIT) Herschel program first results: A full PACS-SED scan of the gas line emission in protostar DK Cha

T. A. van Kempen, J.D. Green+43 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、DIGIT Herschelキープログラムの一環として、中質量の原始星DK Chaの遠赤外スペクトルにおける最初の完全なPACS-SEDスキャンを報告する。高分解能分光法を用いて、CO（最高でJ=38-37、Eu/k=4080 K）、水（最高でJ=7₀₇–6₁₆、Eu/k=843 K）、OH（最高でEu/k=290 K）を含む約50個の分子、原子、イオン線を検出。これは、埋め込まれた段階とディスク支配段階の中間的段階にあり、UV加熱とショック励起の複雑な混合を示している。

ABSTRACT

DK Cha is an intermediate-mass star in transition from an embedded configuration to a star plus disk stage. We aim to study the composition and energetics of the circumstellar material during this pivotal stage. Using the Range Scan mode of PACS on the Herschel Space Observatory, we obtained a spectrum of DK Cha from 55 to 210 micron as part of the DIGIT Key Program. Almost 50 molecular and atomic lines were detected, many more than the 7 lines detected in ISO-LWS. Nearly the entire ladder of CO from J=14-13 to 38-37 (E_u/k = 4080 K), water from levels as excited as E_u/k = 843 K, and OH lines up to E_u/k = 290 K were detected. The continuum emission in our PACS SED scan matches the flux expected from a model consisting of a star, a surrounding disk of 0.03 Solar mass, and an envelope of a similar mass, supporting the suggestion that the object is emerging from its main accretion stage. Molecular, atomic, and ionic emission lines in the far-infrared reveal the outflow's influence on the envelope. The inferred hot gas can be photon-heated, but some emission could be due to C-shocks in the walls of the outflow cavity.

研究の動機と目的

• DK Chaの周囲環境における物理的・化学的条件が、深く埋もれた原始星からディスク支配型に移行する段階でどのように変化しているかを調査すること。
• 特に高励起状態の分子線を含む、エンベロープおよびアウトフロー空洞内のガスのエネルギー収支と励起メカニズムを理解すること。
• 観測された線放出が、光子加熱、ショック、またはそれらの組み合わせによって生じるかどうかを特定すること。
• 連続スペクトルのSEDが、中心星にディスク（0.03 M⊙）と同程度の質量を持つエンベロープを伴うモデルと整合するかどうかを検証すること。
• HerschelのPACS機器を用いて、遠赤外スペクトルにおける分子、原子、イオン種の全範囲を同定・特徴付けること。

提案手法

• Herschel宇宙望遠鏡のPhotodetector Array Camera and Spectrometer（PACS）を用い、55–210 μmの波長範囲で、DK Chaの完全なPACS-SEDスキャンを実施した。
• 連続スペクトルのSpectral Energy Distribution（SED）を解析し、星、ディスク（0.03 M⊙）、エンベロープ（0.03 M⊙）の組み合わせモデルでフィットさせた。
• 回転図法を用いてCO、H2O、OHの回転温度を導出し、異なる励起エネルギーを持つ異なる集団が存在することを特定した。
• UVポンピングおよびCショック励起の理論的モデルと観測された線輝度を比較し、支配的励起メカニズムを推定した。
• アウトフロー空洞の幾何学的形状と観測方向（ほぼ正面）が、観測された線強度および励起状態に与える影響を評価した。
• スペクトル応答関数を再構築し、氷やダスト成分を含む追加の特徴の検出可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DK Chaの周囲エンベロープおよびアウトフロー空洞内のガスの励起温度および密度構造はどのようなものか？
• RQ2 高J状態のCO、H2O、OH線の励起を支配する物理的メカニズム（UV放射、Cショック、その他のプロセス）は何か？
• RQ3 観測された線輝度は、既存の原始星のアウトフローおよびディスクモデルの予測とどの程度一致するか？
• RQ4 観測されたSEDは、ディスクとエンベロープの質量がほぼ等しい中間的対象と整合する程度はどの程度か？
• RQ5 高励起状態の分子線は、UV加熱とショック励起の組み合わせで説明可能か、それとも代替メカニズムが必要か？

主な発見

• CO（J=14-13～J=38-37、Eu/k=4080 K）、水（J=7₀₇–6₁₆、71.93 μm、Eu/k=843 K）、OH（Eu/k=290 K）など、合計48本の分子、原子、イオン線が検出された。これは極めて高い励起状態を示している。
• 水蒸気線はJ=7₀₇–6₁₆遷移まで検出され（71.93 μm、Eu/k=843 K）、内側領域に高温で強く励起されたH2Oが存在することを確認した。
• OH線はEu/k=290 Kまで検出され、ショックや強いUV場といった高エネルギープロセスの存在を示唆している。
• 回転図法解析により、2つの異なる集団が特定された：Eu/k < 1500 KのCO線はTror ≈ 380 Kで最もよくフィットし、高J線はTror ≈ 1365 Kを必要とした。
• 連続スペクトルSEDは、中心星、0.03 M⊙のディスク、同程度の質量のエンベロープを持つモデルでよくフィットし、段階I/IIの中間的分類を支持した。
• 高励起線および線輝度比の特徴から、UV光子加熱と非解離的Cショックの両方が励起に寄与している可能性が示され、特に最高J状態のCOおよびH2O線ではCショックが支配的である可能性がある。