[論文レビュー] The CHESS chemical Herschel surveys of star forming regions: Peering into the protostellar shock L1157-B1. I. Shock chemical complexity

C. Codella, B. Leflóch+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 69

ひとこと要約

本研究は、L1157-B1原始星のバッシュショックにおける最初の偏りのないHIFIスペクトルサーベイを提示し、H2O、NH3、H2CO、CH3OH、CS、HCN、HCO+といったショックトレーサー分子の高励起準位（約200 Kまで）を検出している。解析により、冷たい（10–20 K）および高温（1000–2000 K）な相と併存する、暖かい（≥200 K）ガス成分が特定され、原始星噴出ガスにおけるショック化学と励起状態の関係を初めて明らかにした。

ABSTRACT

We present the first results of the unbiased survey of the L1157-B1 bow shock, obtained with HIFI in the framework of the key program Chemical Herschel surveys of star forming regions (CHESS). The L1157 outflow is driven by a low-mass Class 0 protostar and is considered the prototype of the so-called chemically active outflows. The bright blue-shifted bow shock B1 is the ideal laboratory for studying the link between the hot (around 1000-2000 K) component traced by H2 IR-emission and the cold (around 10-20 K) swept-up material. The main aim is to trace the warm gas chemically enriched by the passage of a shock and to infer the excitation conditions in L1157-B1. A total of 27 lines are identified in the 555-636 GHz region, down to an average 3 sigma level of 30 mK. The emission is dominated by CO(5-4) and H2O(110-101) transitions, as discussed by Lefloch et al. (2010). Here we report on the identification of lines from NH3, H2CO, CH3OH, CS, HCN, and HCO+. The comparison between the profiles produced by molecules released from dust mantles (NH3, H2CO, CH3OH) and that of H2O is consistent with a scenario in which water is also formed in the gas-phase in high-temperature regions where sputtering or grain-grain collisions are not efficient. The high excitation range of the observed tracers allows us to infer, for the first time for these species, the existence of a warm (> 200 K) gas component coexisting in the B1 bow structure with the cold and hot gas detected from ground.

研究の動機と目的

• L1157-B1原始星のバッシュショックにおける化学的複雑性を調査すること。これは、化学的に活発な噴出ガスのモデル例である。
• ショックによって化学的に豊かにされた暖かいガス成分を追跡し、冷たい（10–20 K）および高温（1000–2000 K）な相の間のギャップを埋めること。
• 高励起回転遷移を用いて、ショックトレーサー分子の励起状態（温度、密度）を推定すること。
• 分子の過剰な豊度の起源を、例えばNH3、H2CO、CH3OHといったダストマントルから放出される物質の発光プロファイルとH2Oを比較することで特定すること。
• 非局所熱平衡（non-LTE）放射線輸送モデル（RADEXおよびLAMDAデータベースを用いて）を用いて、噴出ガスの物理的状態を制約すること。

提案手法

• Herschel/HIFI機器を用いた、555–636 GHz帯域におけるL1157-B1バッシュショックへの偏りのないスペクトルサーベイを実施した。
• CO(5–4)、H2O(110–101)、NH3、H2CO、CH3OH、CS、HCN、HCO+などの高励起遷移を含む、合計27本の発光ラインを同定した。
• 回転ダイアグラム法を用いて回転温度を導出し、HIFI CH3OHライン（E-型、Eu = 32–211 K）では106 K、地上望遠鏡のPdBIデータでは12 Kが得られた。
• 非局所熱平衡放射線輸送コードRADEXとLAMDA分子データベースを用いて、CH3OHおよびH2COの励起状態をモデル化した。
• HIFIのCS(12–11)ラインと地上観測のCS(2–1)および(3–2)ラインを組み合わせ、力学的温度およびH2密度を推定した。成分分離の可能性を考慮した。
• PdBI CH3OHマップから得られたff = 0.13の不均一率を用いて、核密度を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高励起分子線によって示されるL1157-B1バッシュショックにおける暖かいガス成分の励起温度は何か？
• RQ2 CH3OHおよびH2COといったショックトレーサー分子の励起状態（Tkin、nH2）は、異なる励起レベルにおいてどのように異なるか？
• RQ3 ショック領域における分子の過剰な豊度の起源は何か。具体的には、NH3、H2CO、CH3OHといった物質は、固体表面の氷被膜からの脱着由来か、ガス相生成由来か？
• RQ4 揮発性物質（例：CH3OH）の観測ラインプロファイルは、H2O発光とどの程度相関するか。これは、共通の生成または放出機構を示唆するか？
• RQ5 CH3OHおよびCS遷移の非局所熱平衡解析により、異なる温度および密度を持つ複数のガス成分を解明できるか？

主な発見

• CH3OH、H2CO、およびCSの高励起線に基づき、L1157-B1で初めて、力学的温度が≥200 Kの暖かいガス成分が検出された。
• E-型CH3OHライン（Eu = 32–211 K）の非局所熱平衡解析により、密度範囲（10³–10⁷ cm⁻³）において200 Kを超える力学的温度が得られた。
• HIFIのCS(12–11)ラインと地上観測のCS(2–1)および(3–2)ラインの組み合わせにより、力学的温度が300 K以上である可能性が示唆されたが、成分分離の可能性を考慮する必要がある。
• 低速度（LV）ガス成分のH2密度（約10⁵ cm⁻³）は、中速度（MV）ガス成分（約4×10⁴ cm⁻³）よりも高いことから、噴出ガスの遅い領域に密度の高い物質が存在することが示された。
• CH3OHの低温成分の核密度は8×10¹⁴ cm⁻²であり、以前の地上観測（Bachiller et al. 1995）と整合的である。
• CH3OHの高励起成分の核密度は約10¹⁴ cm⁻²であり、暖かく密度の高い相からの顕著な発光が示唆された。