[论文解读] H2O line mapping at high spatial and spectral resolution - Herschel observations of the VLA1623 outflow

P. Bjerkeli, René Liseau+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 44被引用 24

一句话总结

本研究利用赫歇尔空间望远镜的HIFI和PACS仪器，在高光谱和高空间分辨率下绘制了VLA1623出流中H2O的发射分布，揭示了温度高于200 K的气体中存在水蒸气发射。在扩展出流中，水的丰度被测定为X(H2O) < 1 × 10⁻⁶，显著低于冲击模型的预测值，尽管在HH 313 A弓激波区域局部丰度提升至10⁻⁵。

ABSTRACT

Apart from being an important coolant, H2O is known to be a tracer of high-velocity molecular gas. Recent models predict relatively high abundances behind interstellar shockwaves. The dynamical and physical conditions of the H2O emitting gas, however, are not fully understood yet. We aim to determine the abundance and distribution of H2O, its kinematics and the physical conditions of the gas responsible for the H2O emission. The observed line profile shapes help us understand the dynamics in molecular outflows. We mapped the VLA1623 outflow, in the ground-state transitions of o-H2O, with the HIFI and PACS instruments. We also present observations of higher energy transitions of o-H2O and p-H2O obtained with HIFI and PACS towards selected outflow positions. From comparison with non-LTE radiative transfer calculations, we estimate the physical parameters of the water emitting regions. The observed water emission line profiles vary over the mapped area. Spectral features and components, tracing gas in different excitation conditions, allow us to constrain the density and temperature of the gas. The H2O emission originates in a region where temperatures are comparable to that of the warm H2 gas (T\gtrsim200K). Thus, the H2O emission traces a gas component significantly warmer than the gas responsible for the low-J CO emission. The H2O column densities at the CO peak positions are low, i.e. N(H2O) \simeq (0.03-10)x10e14 cm-2. The H2O abundance with respect to H2 in the extended outflow is estimated at X(H2O)&lt;1x10e-6, significantly lower than what would be expected from most recent shock models. The H2O emission traces a gas component moving at relatively high velocity compared to the low-J CO emitting gas. However, other dynamical quantities such as the momentum rate, energy and mechanical luminosity are estimated to be the same, independent of the molecular tracer used, CO or H2O.

研究动机与目标

• 确定VLA1623出流中水发射气体的空间分布、运动学特征及物理条件。
• 评估水丰度相对于H2的相对值，并与冲击模型的预测结果进行比较。
• 探究水蒸气发射是否与低J CO发射不同，特别是在温度和速度方面的气体组分差异。
• 通过估算动量传输率、能量和机械光度，评估水发射气体在出流中的动力学作用。

提出的方法

• 利用赫歇尔空间望远镜的HIFI和PACS仪器，对基态正交H2O跃迁（110–101和212–101）进行高空间和光谱分辨率的映射。
• 在出流中选定位置进行更高能正交和对位H2O跃迁（如211–202、312–303、303–212、313–202）的线宽谱观测。
• 采用非-LTE辐射转移建模方法，结合大速度梯度（LVG）近似，从观测到的谱线轮廓中推导出H2O柱密度、气体温度和密度。
• 将观测到的谱线轮廓与合成模型进行比较，以约束激发条件，并推断动能温度和H2密度等物理参数。
• 从H2O和CO谱线数据中估算动力学量（动量传输率、能量、机械光度），以评估不同示踪剂之间的一致性。
• 利用斯皮itzer H2数据和形态学约束，验证HH 313 A区域存在高温气体。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高光谱和高空间分辨率下，VLA1623出流中H2O发射的空间分布和运动学结构如何？
• RQ2 H2O发射气体的物理条件（温度、密度、柱密度）如何？与低J CO发射气体的物理条件相比有何差异？
• RQ3 出流中H2O丰度与近期冲击模型的预测结果相比如何？
• RQ4 H2O发射是否追踪了与CO不同的动力学组分，特别是在速度和激发状态方面？
• RQ5 出流的机械属性（动量传输率、能量、光度）在不同分子示踪剂（如CO和H2O）之间是否一致？

主要发现

• H2O发射来源于动能温度超过200 K的气体，表明其温度高于低J CO发射所追踪的气体。
• 在CO谱峰位置处，H2O柱密度较低，范围为(0.03–10) × 10¹⁴ cm⁻²，与扩展出流中水丰度较低的结论一致。
• 在扩展出流中，水相对于H2的丰度估计为X(H2O) < 1 × 10⁻⁶，显著低于近期冲击模型的预测值。
• 在HH 313 A弓激波区域（空间尺度约5′′），水丰度局部提升至X(H2O) ≈ 1 × 10⁻⁵，表明存在局部增强现象。
• 动量传输率、能量和机械光度在CO和H2O示踪剂之间保持一致，表明驱动机制不依赖于所用分子示踪剂。
• 东南出流区域的谱线轮廓形状表明存在显著的横向气体运动，其视线方向的倾角可能小于75°。