[论文解读] Molecule survival in magnetized protostellar disk winds. II. Predicted H2O line profiles versus Herschel/HIFI observations

W. Yvart, S. Cabrit+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用 16

一句话总结

本文利用赫歇尔/HIFI观测数据，检验磁化盘风（MHD-DW）模型是否可作为低质量原恒星中宽H2O线轮廓的起源。该模型通过模拟0.2–25 AU范围内温暖、致密的盘风发射的H2O辐射，成功再现了观测到的线轮廓形状、辐射强度以及光度相关性；推断的吸积率与包层吸积率一致，且风的性质随原恒星从Class 0演化至Class 1而发生变化。

ABSTRACT

We investigate whether the broad wings of H2O emission identified with Herschel towards low-mass Class 0 and Class 1 protostars may be consistent with an origin in a dusty MHD disk wind, and the constraints it would set on the underlying disk properties. We present synthetic H2O line profiles predictions for a typical MHD disk wind solution with various values of disk accretion rate, stellar mass, extension of the launching area, and view angle. We compare them in terms of line shapes and intensities with the HIFI profiles observed by the WISH Key Program. We find that a dusty MHD disk wind launched from 0.2--0.6 AU AU to 3--25 AU can reproduce to a remarkable degree the observed shapes and intensities of the broad H2O component, both in the fundamental 557 GHz line and in more excited lines. Such a model also readily reproduces the observed correlation of 557 GHz line luminosity with envelope density, if the infall rate at 1000 AU is 1--3 times the disk accretion rate in the wind ejection region. It is also compatible with the typical disk size and bolometric luminosity in the observed targets. However, the narrower line profiles in Class 1 sources suggest that MHD disk winds in these sources, if present, would have to be slower and/or less water rich than in Class 0 sources. In conclusion, MHD disk winds appear as a valid (though not unique) option to consider for the origin of the broad H2O component in low-mass protostars. ALMA appears ideally suited to further test this model by searching for resolved signatures of the warm and slow wide-angle molecular wind that would be predicted.

研究动机与目标

• 确定磁化盘风是否能解释赫歇尔/HIFI在低质量原恒星中观测到的宽H2O线轮廓。
• 评估MHD-DW模型是否与H2O光度与包层密度之间的观测相关性一致。
• 基于H2O线轮廓，对Class 0和Class 1原恒星的盘吸积率、喷流半径和风的性质进行约束。
• 评估模型再现Class 0与Class 1源之间线宽系统性差异的能力。
• 识别可进一步检验MHD-DW假说的观测诊断手段，特别是利用ALMA的观测。

提出的方法

• 使用稳态、自相似的含尘磁-离心盘风模型，通过改变盘吸积率、恒星质量、喷流半径（0.2–25 AU）和视线方向，模拟合成的H2O线轮廓。
• 考虑FUV和X射线源的辐射加热，并通过吸热反应平衡光致离解过程，计算H2O形成。
• 计算基频557 GHz H2O线及更高激发态跃迁的线轮廓，考虑非-LTE激发和大偶极矩的影响。
• 将合成轮廓与29个低质量Class 0和Class 1原恒星的赫歇尔/HIFI观测结果进行比较，重点关注轮廓形状、强度和光度。
• 通过分析线宽、速度范围以及与1000 AU处包层密度的相关性，评估模型拟合程度。
• 利用模型网格探索参数空间，识别最能再现观测趋势的条件，包括Class 1源中线宽更窄的现象。

实验结果

研究问题

• RQ1 含尘MHD盘风模型能否再现低质量原恒星中H2O线轮廓的观测形状、强度和速度范围？
• RQ2 H2O 557 GHz光度与1000 AU处包层密度之间的观测相关性是否与MHD盘风模型一致？
• RQ3 该模型对Class 0和Class 1原恒星中盘吸积率与喷流半径施加了何种约束？
• RQ4 为何H2O线轮廓在Class 1源中系统性地比Class 0源更窄？MHD-DW模型能否解释这一现象？
• RQ5 哪些观测特征，特别是利用ALMA的观测，可进一步检验MHD盘风假说的有效性？

主要发现

• 从0.2–25 AU范围发射的含尘MHD盘风能够再现557 GHz基频线及更高激发态线中观测到的宽H2O成分的轮廓形状和强度。
• 该模型成功再现了H2O 557 GHz光度与1000 AU处包层密度之间的观测相关性，相关系数≈1，要求盘吸积率在1000 AU处为包层吸积率的1–3倍。
• 该模型与Class 0和Class 1原恒星中观测到的典型光度和盘尺寸一致。
• Class 1源中线轮廓更窄表明，若存在MHD盘风，则其速度可能更慢，或水含量可能低于Class 0源中的风。
• 该模型预测存在一个温暖、缓慢、宽张角的分子风，可被ALMA解析，使ALMA成为未来检验的关键仪器。
• MHD盘风模型仍是低质量原恒星中宽H2O成分起源的合理解释，尽管并非唯一可能的解释。