[논문 리뷰] HIFISTARS Herschel/HIFI observations of VY Canis Majoris. Molecular-line inventory of the envelope around the largest known star

J. Alcolea, V. Bujarrabal외 17명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2013. 10. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 43인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 허셜/HIFI 기구를 이용한 VY Canis Majoris의 고해상도 마이크로미터 및 적외선 영역 관측을 통해, CO, H₂O, NH₃, SiO, SO 등 다양한 분자의 선을 10–1000 K의 광범위한 진동 에너지 수준에서 탐지하였다. 주요 발견은 VY CMa의 껍질이 다수의 분리된 구성 요소로 이루어져 있으며, 진동적으로 자극된 상태와 희귀 동위원소 이성질체의 강한 방출은 그 따뜻한 내부 영역에서 극도로 극단적인 물리 조건과 다른 진화한 항성들보다 높은 분자 농도를 나타낸다.

ABSTRACT

To gain insight into the physical conditions and kinematics of the warm (100-1000 K) gas around the red hyper-giant VY CMa, we performed sensitive high spectral resolution observations of molecular lines in the sub-mm/FIR using the HIFI instrument of the Herschel Space Observatory. We observed CO, H2O, and other molecular species, sampling excitation energies from a few tens to a few thousand K. These observations are part of the Herschel Guaranteed Time Key Program HIFISTARS. We detected the J=6-5, J=10-9, and J=16-15 lines of 12CO and 13CO at about 100, 300, and 750K above the ground state (and the 13CO J=9-8 line). These lines are crucial for improving the modelling of the internal layers of the envelope around VY CMa. We also detected 27 lines of H2O and its isotopomers, and 96 lines of species such as NH3, SiO, SO, SO2 HCN, OH and others, some of them originating from vibrationally excited levels. Three lines were not unambiguously assigned. Our observations confirm that VY CMa's envelope must consist of two or more detached components. The molecular excitation in the outer layers is significantly lower than in the inner ones, resulting in strong self-absorbed profiles in molecular lines that are optically thick in this outer envelope, for instance, low-lying lines of H2O. Except for the most abundant species, CO and H2O, most of the molecular emission detected at these sub-mm/FIR wavelengths arise from the central parts of the envelope. The spectrum of VY CMa is very prominent in vibrationally excited lines, which are caused by the strong IR pumping present in the central regions. Compared with envelopes of other massive evolved stars, VY CMa's emission is particularly strong in these vibrationally excited lines, as well as in the emission from less abundant species such as H13CN, SO, and NH3.

연구 동기 및 목표

• VY Canis Majoris, 가장 큰 것으로 알려진 항성의 원환성 껍질의 물리적 및 화학적 구조를 조사하기 위해.
• 밀리미터파 관측으로는 접근이 어려운 내부 껍질의 따뜻한 (100–1000 K) 분자 기체를 탐색하기 위해.
• 주요 물질, 특히 희귀 동위원소 이성질체와 진동적으로 자극된 상태의 흥(excitation) 조건, 운동학, 분자 농도를 결정하기 위해.
• 다른 진화한 항성들과의 비교를 통해 VY CMa의 놀라운 질량 손실과 화학적 복잡성의 기원을 이해하기 위해.

제안 방법

• 하이퍼스펙트럼 해상도 관측이 마이크로미터 및 적외선 영역에서 허셜 HIFI 기구를 이용해 수행되었다.
• 12CO, 13CO, H₂O, H₂O 동위원소 이성질체, NH₃, SiO, SO, SO₂, HCN, H13CN, OH 등 다양한 분자의 선이 수십에서 수천 켈빈의 진동 에너지 범위에서 탐지되었다.
• 스펙트럼 선형형태 분석을 통해 광학적 두께, 흥온도, 총 농도를 유도하였으며, 자기흡수 특징은 외부 껍질 구성 요소에서 높은 광학적 두께를 시사한다.
• 정규화된 통합 강도를 사용하여 다른 진화한 항성들(NML Cyg, IRC +10420, 베텔게우즈, AFGL 2343)과 데이터를 비교하여 상대적 분자 방출 강도를 평가하였다.
• 13CO J=6–5 선을 정규화 기준으로 사용하여 다양한 물질과 천체 간의 방출 강도를 비교하였다.
• 진동 전이와 마이저 선을 분석하여 적외선 펌프가 고에너지 준위를 자극하는 데 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VY Canis Majoris의 원환성 껍질 내 따뜻한 분자 기체의 흥 구조는 어떻게 되어 있는가?
• RQ2 희귀 동위원소 이성질체와 진동적으로 자극된 상태를 고려할 때, VY CMa의 물리 조건과 분자 농도는 다른 진화한 항성들과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 진동적으로 자극된 선에서 강한 방출이 발생하는 원인은 무엇이며, 이는 중심 영역의 적외선 펌프와 어떤 관련이 있는가?
• RQ4 왜 VY CMa는 H13CN, SO, NH₃와 같이 희귀한 종류의 선에서 다른 초거대 항성들보다 가장 강한 방출을 보이는가?
• RQ5 VY CMa에 다수의 분리된 껍질 구성 요소가 존재한다는 증거는 무엇인가?

주요 결과

• HIFI 관측에서 12CO, 13CO, H₂O 등 다양한 물질의 96개 선이 탐지되었으며, 고에너지 전이(12CO의 J=16–15 전이, 기저 상태에서 약 750 K 높은 에너지)가 포함되어 있었다.
• 13CO J=10–9 및 J=16–15 선이 탐지되어 내부 껍질의 고에너지 흥온도를 확인하였으며, 이는 따뜻한 기체의 구조 모델링에 핵심적인 정보를 제공한다.
• VY CMa는 특히 H₂O와 SiO의 진동적으로 자극된 선에서 매우 강한 방출을 보이며, 중심 영역에서 강력한 적외선 펌프가 작용하고 있음을 시사한다.
• 희귀 종류의 선, 예를 들어 H13CN, SO, NH₃에서 VY CMa가 가장 강한 방출을 보이며, 이는 다른 진화한 항성들보다 높은 농도를 가짐을 시사한다.
• para-H₂¹⁸O 1₁,₁–0₀,₀ 선은 VY CMa에서 NML Cyg보다 현저히 약하게 나타나 이 동위원소 이성질체의 농도가 낮음을 시사한다.
• C¹⁸O는 탐지되지 않았으며, 이는 ¹⁸O 농도가 낮거나 주 동위원소 이성질체의 광학적 두께가 높기 때문임을 일관되게 뒷받침한다.