[論文レビュー] Hot Ammonia around O-type Young Stars. I. JVLA imaging of Ammonia (6,6) to (14,14) in NGC7538 IRS1

C. Goddi, Qizhou Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、高分解能のJVLA観測を用いて、NGC7538 IRS1のホットコアにおける高エネルギー状態のアンモニア遷移（J,K = 6,6 から 14,14）をマッピングし、高質量若星系の三重連星系の周囲に密度が高く回転するエンvelopeが存在することを明らかにした。観測データは、これらの高J線で史上最高に高い光学濃度（最大26）を示しており、これはこれまでに知られている中で最も密度の高いホット分子コアであることを示しており、全ガス質量は19–34 M⊙であり、500 AUの二重星系を有する原始星周囲エンvelope内での回転の証拠も示している。

ABSTRACT

To constrain theoretical models of high-mass star formation, observational signatures of mass accretion in O-type forming stars are desirable. Using the JVLA, we have mapped the hot and dense molecular gas in the hot core NGC7538 IRS1, with 0.2'' angular resolution, in seven metastable (J=K) inversion transitions of ammonia: (J,K)=(6,6), (7,7), (9,9), (10,10), (12,12), (13,13), and (14,14). These lines arise from energy levels between ~400 K and ~1950 K above the ground state, and are observed in absorption against the HC-HII region associated with NGC7538 IRS1. With a 500 AU linear resolution, we resolve the elongated North-South ammonia structure into two compact components: the main core and a southernmost component. Previous observations of the radio continuum with a 0.08'' (or 200 AU) resolution, resolved in turn the compact core in two (northern and southern) components. These features correspond to a triple system of high-mass YSOs IRS1a, IRS1b, and IRS1c identified with VLBI measurements of methanol masers. The velocity maps of the compact core show a clear velocity gradient in all lines, which is indicative of rotation in a (circumbinary) envelope, containing ~40 solar masses (dynamical mass). In addition, we derived physical conditions of the molecular gas: rotational temperatures ~280 K, ammonia column densities ~1.4-2.5 x 10^19 cm-2, H_2 volume densities ~3.5-6.2 x 10^10 cm-3, and a total gas mass in the range of 19-34 solar masses, for the main core. We conclude that NGC7538 IRS1 is the densest hot molecular core known, containing a rotating envelope which hosts a multiple system of high-mass YSOs, possibly surrounded by accretion disks. Future JVLA observations in the A-configuration are needed to resolve the binary system in the core and may allow to study the gas kinematics in the accretion disks associated with individual binary members.

研究の動機と目的

• 理論的モデルがあるものの、依然として制約が乏しいO型若星の原始星周囲分子ガスの物理的状態と運動学的性質を特徴づけること。
• 高質量星形成において、高Jアンモニア遷移を用いることで、降着円盤またはエンvelope構造を同定できるかどうかを検証すること。
• ミスティック状態のアンモニア線を用いて、ホットコア内の回転温度、柱密度、ガス密度、質量を測定すること。
• 極端な環境下における高エネルギー状態のアンモニア線の励起状態と光学濃度の挙動を調査すること。

提案手法

• 0.2 arcsecの高分解能で、(6,6) から (14,14) までの7つのミスティック状態（J=K）のアンモニア反転遷移をマッピングするためのJVLA観測を実施した。これらの遷移は、基底状態から約400 Kから約1950 Kのエネルギー準位を対象としている。
• NGC7538 IRS1のHC-HII領域を背景にした吸収ラインを標的とすることで、線の光学濃度と励起状態を測定した。
• スペクトル線フィッティングと超微細構造解析を用いて光学濃度を導出し、コア内の複雑な発光構造の解明に注力した。
• 回転温度図（RTD）と遷移間の光学濃度比を用いて、T_rot、NH3柱密度、H2体積密度を導出した。
• 局所熱的平衡（LTE）仮定の下で、分配関数とボルツマン分布を用いて、準位分布のモデル化を行った。
• 25–35 GHz帯の連続スペクトルマップを取得し、アンモニア吸収と相関させ、コンパクトな電波コンポーネントを同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 O型の原始星に付随する最も密度の高いホット分子コアにおける物理的状態（温度、密度、質量）は何か？
• RQ2 観測されたドップラー速度勾配は、原始星周囲円盤の回転を示しているのか、あるいは二重星系を取り巻く循環的エンvelopeの回転を示しているのか？
• RQ3 高質量星形成領域における高エネルギー状態のアンモニア線（J=K=6 から 14）の励起状態と光学濃度の挙動はどのようなものか？
• RQ4 アンモニア吸収の運動学的・形態的特徴は、NGC7538 IRS1における高質量YSOの三重連星系の構造をどのように反映しているか？
• RQ5 高Jアンモニア遷移は、O型若星周囲の最も内側で密度の高い領域を信頼性高く探査するための有効なプローブとして機能するか？

主な発見

• NGC7538 IRS1の主要アンモニアコアは、回転温度が約280 K、NH3柱密度が約1.4–2.5×10^19 cm^-2、H2体積密度が約3.5–6.2×10^10 cm^-3、全ガス質量が19–34 M⊙である。これは[NH3]/[H2] = 10^-7を仮定した場合の値である。
• コアから1000 AU南に位置するアンモニア成分は、温度が110 K、H2密度が約0.7–2×10^10 cm^-3、ガス質量が4–12 M⊙である。
• 高エネルギー状態のアンモニア線の光学濃度は最大26に達しており、これは高質量星形成領域で測定された中で史上最高の値であり、極めて高い光学的厚さを示している。
• コンパクトコア内の速度場は、全遷移で明確な勾配を示しており、約40 M⊙（動的質量）を有する原始星周囲エンvelope内の回転と整合的である。
• アンモニア吸収は電波連続スペクトル発光とよく一致しており、コアは約500 AUの分離を示す二つのコンポーネントに分解され、電波連続スペクトルの北および南成分に対応している。
• 高質量YSOの三重連星系（IRS1a, IRS1b, IRS1c）が確認された。南に位置する成分は約–60 km/sの径方向速度を示し、コア内の二重星系はそれぞれ–59 km/sおよび–56.4 km/sの速度を示している。