[論文レビュー] High-pressure, low-abundance water in bipolar outflows. Results from a Herschel-WISH survey

M. Tafalla, René Liseau+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 100被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、低質量の原始星からの双極的噴流における暖かく衝撃を受けたガスを調べるため、Herschel-WISHが測定した正水素水（557および1670 GHz）の観測結果を用いた。典型的な水の割合は3×10⁻⁷、ガス圧は高い（nT ≈ 4×10⁹ cm⁻³K）、励起温度は低い（約25 K）であることが判明し、高い圧縮と低い水の割合のため、標準的なCショックモデルとは矛盾する。

ABSTRACT

(Abridged) We present a survey of the water emission in a sample of more than 20 outflows from low mass young stellar objects with the goal of characterizing the physical and chemical conditions of the emitting gas. We have used the HIFI and PACS instruments on board the Herschel Space Observatory to observe the two fundamental lines of ortho-water at 557 and 1670 GHz. These observations were part of the "Water In Star-forming regions with Herschel" (WISH) key program, and have been complemented with CO and H2 data. We find that the emission from water has a different spatial and velocity distribution from that of the J=1-0 and 2-1 transitions of CO, but it has a similar spatial distribution to H2, and its intensity follows the H2 intensity derived from IRAC images. This suggests that water traces the outflow gas at hundreds of kelvins responsible for the H2 emission, and not the component at tens of kelvins typical of low-J CO emission. A warm origin of the water emission is confirmed by a remarkable correlation between the intensities of the 557 and 1670 GHz lines, which also indicates the emitting gas has a narrow range of excitations. A non-LTE radiative transfer analysis shows that while there is some ambiguity on the exact combination of density and temperature values, the gas thermal pressure nT is constrained within less than a factor of 2. The typical nT over the sample is 4 10^{9} cm^{-3}K, which represents an increase of 10^4 with respect to the ambient value. The data also constrain within a factor of 2 the water column density. When this quantity is combined with H2 column densities, the typical water abundance is only 3 10^{-7}, with an uncertainty of a factor of 3. Our data challenge current C-shock models of water production due to a combination of wing-line profiles, high gas compressions, and low abundances.

研究の動機と目的

• 低質量原始星の噴流における水放射ガスの物理的・化学的状態を特徴づけること。
• 高周波数の水線を用いて、H₂O放射ガスの励起温度、密度、圧力を特定すること。
• 標準的なショックモデルと比較して、噴流成分における水の割合を評価すること。
• 水とCOの線プロファイルの乖離を調査し、異なるガス成分が存在することを示唆すること。
• 観測された線比がCショックモデルとJショックモデルのどちらと整合するかを評価すること。

提案手法

• HerschelのHIFIおよびPACS機器を用いて、正水素水の557および1670 GHz線の高分解能分光測定を実施した。
• 空間的および運動的関連性を特定するため、CO（J=1-0, 2-1）およびIRAC画像からのH₂放射と水線プロファイルを比較した。
• 大型速度勾配（LVG）アプローチを用いた非局所熱平衡放射移動モデルを実行し、ガス状態を制約した。
• 557および1670 GHz線の強度比を用いて励起温度を推定し、nT積（熱的圧力）を制約した。
• IRACからのH₂柱密度とH₂O柱密度を組み合わせ、水の割合を導出した。
• H₂O破壊機構を考慮した上で、CショックとJショックの化学モデルとの整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量原始星の噴流におけるH₂O放射ガスの励起温度および熱的圧力は何か？
• RQ2 水放射の空間的・運動的分布は、COおよびH₂トレーサーとどのように比較できるか？
• RQ3 暖かい噴流ガスにおける水の割合は何か？ また、Cショックモデルの予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 観測された線プロファイルおよび強度比が、標準的なCショックモデルの期待値からどのように逸脱しているか？
• RQ5 J型ショックが観測された高圧・低割合の状態をよりよく説明できるのだろうか？

主な発見

• 557および1670 GHz線の強度比は2から4の範囲に集中しており、約25 Kの狭い励起温度範囲を示している。
• 全サンプルにわたって、数密度と温度の積（nT）は約4×10⁹ cm⁻³Kに制約され、周囲の雲状態と比較して約10⁴倍の増加である。
• 水の柱密度は2×10¹²から10¹⁴ cm⁻²の範囲で変動し、典型的な水の割合はH₂に対して3×10⁻⁷（誤差要因3倍以内）である。
• 水放射はIRACからのH₂放射と空間的に相関しており、冷たいCO放射ガスではなく、500 K程度の暖かい衝撃ガスを示している。
• 高圧と低水の割合は、標準的なCショックモデルとは整合せず、J型ショックが関与している可能性がある。
• 冷たい噴流成分に隠れた水の貯留源が存在する可能性があり、H₂Oスペクトルの広帯域自己吸収特徴として検出可能である。