[論文レビュー] Physical and chemical differentiation of the luminous star-forming region W49A - Results from the JCMT Spectral Legacy Survey

Z. Nagy, van der Floris Tak+2 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Feb 11, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 71被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、JCMTスペクトルレガシーサーベイの高分解能スペクトル線マッピングを用い、約0.8 pc解像度で質量関与星形成領域W49Aの物理的・化学的構造を調査した。サブ領域では衝撃・PDR・ホットコア化学が特定され、紫外線照射がノースターブランチ、イーストテイル、サウスウェストクランプで化学を支配している。中心部では衝撃とPDRの影響が混合している。主要な分子種（C₂H、CN、H₂CO）の柱密度比は、外部のスターバースト銀河やAGNと同等であり、W49Aは銀河外スターバースト化学の局所的アナログであると考えられる。

ABSTRACT

The massive and luminous star-forming region W49A is a well known Galactic candidate to probe the physical conditions and chemistry similar to those expected in external starburst galaxies. We aim to probe the physical and chemical structure of W49A on a spatial scale of ~0.8 pc based on the JCMT Spectral Legacy Survey, which covers the frequency range between 330 and 373 GHz. The wide 2x2 arcminutes field and the high spectral resolution of the HARP instrument on JCMT provides information on the spatial structure and kinematics of the cloud. For species where multiple transitions are available, we estimate excitation temperatures and column densities. We detected 255 transitions corresponding to 60 species in the 330-373 GHz range at the center position of W49A. Excitation conditions can be probed for 16 molecules. The chemical composition suggests the importance of shock-, PDR-, and hot core chemistry. Many molecular lines show a significant spatial extent across the maps including high density tracers (e.g. HCN, HNC, CS, HCO+) and tracers of UV-irradiation (e.g. CN and C2H). Large variations are seen between the sub-regions with mostly blue-shifted emission toward the Eastern tail, mostly red-shifted emission toward the Northern clump, and emission peaking around the expected source velocity toward the South-west clump. A comparison of column density ratios of characteristic species observed toward W49A to Galactic PDRs suggests that while the chemistry toward the W49A center is driven by a combination of UV-irradiation and shocks, UV-irradiation dominates for the Northern Clump, Eastern tail, and South-west clump regions. A comparison to a starburst galaxy and an AGN suggests similar C2H, CN, and H2CO abundances (with respect to the dense gas tracer 34CS) between the ~0.8 pc scale probed for W49A and the >1 kpc regions in external galaxies with global star-formation.

研究の動機と目的

• スペクトル線データを用いて、約0.8 pcの空間解像度で明るい星形成領域W49Aの物理的・化学的構造を解明すること。
• 分子線励起状態と濃度比に基づき、W49Aの異なるサブ領域における支配的化学反応（衝撃、PDR、ホットコア）を特定すること。
• 外部スターバースト銀河（例：M82）およびAGN（例：NGC 1068）の化学組成と比較し、W49Aが銀河内アナログとしての関連性を持つかどうかを評価すること。
• 紫外線照射、衝撃、高密度ガス化学が、W49Aの空間的に分解されたコンponentにおける分子線放射に果たす役割を評価すること。
• 集積図法から導かれた励起温度と柱密度が、銀河外源で観測された値と整合的であるかどうかを評価すること。

提案手法

• JCMTスペクトルレガシーサーベイのデータを用い、330–373 GHzの周波数帯域で2×2アングル秒の視野をカバーし、HARP機器による約15″の角分解能を達成した。
• ビーム希釈および光学厚さ補正を施した集積図法を用い、複数の遷移を持つ16種の分子について励起温度と柱密度を導出した。
• 分子線の空間的・運動的構造をマッピングし、吸い込み、噴出、および速度シフト（青シフトまたは赤シフト）を示す領域を特定した。サブ領域として：中心部、イーストテイル、ノースターブランチ、サウスウェストクランプを対象とした。
• M82およびNGC 1068における34CSに対するC₂H、CN、H₂CO、HNCO、SiOなどの主要分子種の柱密度比を比較し、異なる空間スケールでの化学的類似性を評価した。
• W49Aと銀河外源（M82、NGC 1068）との回転温度の比較を用い、励起状態とビームフィルティング効果を評価した。
• 高密度ガストレーサーに対する線形形態、速度構造、濃度比に基づき、各サブ領域における化学プロセスを分類した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子線励起状態と濃度比から、W49Aの異なるサブ領域で支配的となる化学反応（衝撃、PDR、ホットコア）は何か？
• RQ2 W49Aにおける主要分子種の励起温度と柱密度は、外部のスターバースト銀河およびAGNと比較してどの程度類似しているか？
• RQ3 W49Aのノースターブランチ、イーストテイル、サウスウェストクランプ領域で、紫外線照射が化学にどの程度支配的であるか？
• RQ4 W49AにおけるC₂H、CN、H₂COの柱密度比は、M82およびNGC 1068で観測された値と整合的か？これは異なる空間スケールでの化学的類似性を示唆するか？
• RQ5 W49Aの空間的に広がった分子線は、吸い込みや噴出運動を示す複雑な運動的構造をどのように明らかにするか？

主な発見

• 330–373 GHz帯域で合計60種の分子種から255本の遷移線が検出された。衝撃トレーサー（例：HCN、HNC）、PDRトレーサー（例：CN、C₂H）、複雑な有機分子（例：CH₃CCH、CH₃CN、CH₃OH）が含まれる。
• ビーム希釈および光学厚さ補正を施した集積図法を用い、16種の分子について励起状態を信頼性高く導出できた。これにより、異なる領域間での励起温度の比較が可能になった。
• CO、13CO、C17O、HCN、HNC、CS、HCO⁺、CN、C₂Hなどの空間的に広がった分子種は、-5から+20 km s⁻¹の複雑な速度構造を示し、イーストテイルでは青シフトが支配的で、ノースターブランチでは赤シフトが支配的であった。
• 中心部（17″×17″）では二重ピークまたは非対称な線形プロファイルを示し、吸い込みおよび噴出運動を示唆しており、衝撃とPDR化学の混合状態であると一致する。
• W49AにおけるC₂H、CN、H₂COの34CSに対する柱密度比は、スターバースト銀河M82およびAGNNGC 1068と同等であり、異なる全体的環境下でも約0.8 pcスケールで類似した化学状態が成立していることを示唆している。
• W49A中心部の回転温度は、M82およびNGC 1068よりも顕著に高い（2–10倍）が、これはビームフィルティング効果および中心部の高密度性によるものと考えられる。一方、CH₃CCH、CH₃CN、HNCOでは、銀河外源の値とより近い一致を示した。