[论文解读] Water emission in NGC1333-IRAS4: The physical structure of the envelope

S. Maret, C. Ceccarelli+3 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Sep 18, 2002

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用 49

一句话总结

本研究利用ISO-LWS远红外光谱分析NGC1333-IRAS4原双星系统中的水线辐射，将辐射建模为来自IRAS4A和B原恒星包层中热激发水蒸气的发射。最佳拟合模型——基于辐射转移与化学平衡——重现了观测到的谱线流量，得出原恒星质量为0.5 M☉，吸积速率为5×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹，且在内部温暖区域水丰度从5×10⁻⁷跃升至5×10⁻⁶，表明该系统为约10,000年历史、年轻且质量较大的包层系统。

ABSTRACT

We report ISO-LWS far infrared observations of CO, water and oxygen lines towards the protobinary system IRAS4 in the NGC1333 cloud. We detected several water, OH, CO rotational lines, and two [OI] and [CII] fine structure lines. Given the relatively poor spectral and spatial resolution of these observations, assessing the origin of the observed emission is not straightforward. In this paper, we focus on the water line emission and explore the hypothesis that it originates in the envelopes that surround the two protostars, IRAS4 A and B, thanks to an accurate model. The model reproduces quite well the observed water line fluxes, predicting a density profile, mass accretion rate, central mass, and water abundance profile in agreement with previous works. We hence conclude that the emission from the envelopes is a viable explanation for the observed water emission, although we cannot totally rule out the alternative that the observed water emission originates in the outflow.

研究动机与目标

• 确定NGC1333-IRAS4远红外水线辐射的起源，区分包层与喷流的贡献。
• 利用辐射转移与化学平衡模型，模拟原恒星包层的物理与化学结构。
• 通过拟合观测到的水线流量，估算关键原恒星参数——质量、吸积速率与水丰度。
• 将IRAS4与IRAS16293-2422进行比较，理解分子辐射差异与年龄及环境条件的关系。

提出的方法

• 使用ISO-LWS在光栅模式下对源位置及两个蓝移/红移的参考位置（NE-red, SW-blue）进行远红外光谱观测，以分离包层与喷流的辐射。
• 采用CHT96模型，该模型结合化学网络、热平衡与辐射转移，基于自内而外坍缩框架。
• 假设IRAS4A与IRAS4B周围存在两个相同、球对称的包层，密度分布遵循r⁻²（外部）与r⁻³/²（内部）规律。
• 通过调节四个关键参数——中心质量、吸积速率、外区与内区水丰度——来拟合观测到的水线流量。
• 将JSD02研究中通过连续谱建模获得的尘埃温度与密度分布作为辐射转移计算的输入。
• 通过比较模型预测与观测到的[OI]、[CII]、CO与OH精细结构线，验证整体物理结构的合理性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NGC1333-IRAS4中观测到的水辐射主要源自原恒星包层，还是喷流？
• RQ2 IRAS4A与IRAS4B包层的推断物理参数（质量、吸积速率、水丰度）为何？
• RQ3 水丰度如何随半径变化，特别是在100 K蒸发面附近？
• RQ4 尽管化学性质相似，为何IRAS4的分子辐射不如IRAS16293-2422丰富？
• RQ5 IRAS4的年龄是多少？与IRAS16293-2422相比，其吸积与包层结构有何差异？

主要发现

• 水辐射主要与原恒星包层相关，而非喷流，因为在与喷流叶瓣对齐的参考位置未检测到显著辐射。
• 最佳拟合模型通过中心质量0.5 M☉与吸积速率5×10⁻⁵ M☉ yr⁻¹重现了观测到的水线流量，表明原恒星年龄约为10,000年。
• 在冷的外区包层（r ≥ 1500 AU）水丰度为5×10⁻⁷，在内部温暖区域（r ≤ 80 AU）增至5×10⁻⁶，此处尘埃温度超过100 K。
• 在1500 AU处包层密度约为4×10⁶ cm⁻³，尘埃温度约为30 K，与CO冰的升华一致，可解释先前观测到的CO耗竭现象。
• 该模型支持CO在IRAS4中耗竭约10倍是由于低温区域CO冻结所致，而非内在化学耗竭。
• IRAS4比IRAS16293-2422更年轻，具有更高质量的包层与更高的连续谱辐射，这解释了尽管化学性质相似，但分子谱线丰富度存在差异的原因。