[論文レビュー] Water in low-mass star-forming regions with Herschel (WISH-LM): High-velocity H2O bullets in L1448-MM observed with HIFI

L. E. Kristensen, E. F. van Dishoeck+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 19被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、低質量原星L1448-MMにおける高圧力H₂OボルツをHerschel-HIFI分光法を用いて検出しており、これらの衝撃波はH₂を豊富に含み、広域の噴流-エンvelope界面と同等の励起状態および化学的条件を示している。異なる起源を持つにもかかわらず、両成分ともH₂O/CO比（約0.05–1.0）が類似しており、H₂Oの冷却が支配的である。これは、低質量星形成におけるH₂Oが力学的および化学的 tracerとして強力であることを示している。

ABSTRACT

Herschel-HIFI observations of water in the low-mass star-forming object L1448-MM, known for its prominent outflow, are presented, as obtained within the `Water in star-forming regions with Herschel' (WISH) key programme. Six H2-16O lines are targeted and detected (E_up/k_B ~ 50-250 K), as is CO J= 10-9 (E_up/k_B ~ 305 K), and tentatively H2-18O 110-101 at 548 GHz. All lines show strong emission in the "bullets" at |v| > 50 km/s from the source velocity, in addition to a broad, central component and narrow absorption. The bullets are seen much more prominently in H$_2$O than in CO with respect to the central component, and show little variation with excitation in H2O profile shape. Excitation conditions in the bullets derived from CO lines imply a temperature >150 K and density >10^5 cm^-3, similar to that of the broad component. The H2O/CO abundance ratio is similar in the "bullets" and the broad component, ~ 0.05-1.0, in spite of their different origins in the molecular jet and the interaction between the outflow and the envelope. The high H2O abundance indicates that the bullets are H2 rich. The H2O cooling in the "bullets" and the broad component is similar and higher than the CO cooling in the same components. These data illustrate the power of Herschel-HIFI to disentangle different dynamical components in low-mass star-forming objects and determine their excitation and chemical conditions.

研究の動機と目的

• 低質量星形成領域における高圧力H₂Oの励起状態と化学的条件を調査し、特に分子ジェット内の衝撃波に焦点を当てる。
• 「ボルツ」（極めて高圧力のガス：EHV）におけるH₂Oの起源とその濃度が、広域の噴流-エンvelope界面と比較してどのように異なるかを特定する。
• エネルギー散逸におけるH₂OとCOの冷却効率を、異なる力学的成分同士で比較する。
• 速度分解された線幅プロファイルと濃度比を分析することで、生成機構（気相反応対比スパッタリング）の二義性を解消する。

提案手法

• Herschel-HIFI分光計により、L1448-MMに向けて6本のH₂¹⁶O線（Eᵤ/k_B ≈ 50–250 K）、CO J=10–9（Eᵤ/k_B ≈ 305 K）、および548 GHz付近で一時的にH₂¹⁸Oを観測した。
• 二重ビームスイッチおよび位置スイッチモードを用いてデータを取得し、10–30%の校正不確実性と19″–39″（4500–9500 AU）の beam サイズを有した。
• 線幅プロファイルを、狭帯域吸収（冷たいエンvelope）、広帯域成分（噴流-エンvelope界面）、および高圧力ボルツ（ジェット衝撃波）の3成分に分解した。
• 回転図分析および放射輸送モデルを用いて、励起温度と核密度を導出した。
• 観測された線輝度から冷却率を計算し、モデル依存のスケーリングを用いて全H₂OおよびCO輝度に外挿した。
• 化学的状態と衝撃歴の推定のため、成分間での濃度比（H₂O/CO）を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L1448-MMにおける高圧力H₂Oボルツの励起温度と密度は何か？また、広域の噴流成分と比較してどう異なるか？
• RQ2 ボルツにおけるH₂O/CO濃度比は何か？この比が広帯域成分と異なる場合、衝撃化学の違いを示唆するか？
• RQ3 EHV成分および広帯域成分において、H₂OとCOは冷却予算にどのように寄与しているか？どちらの分子がエネルギー散逸を支配的に行っているか？
• RQ4 観測されたH₂O線幅プロファイルは、衝撃波内での水の生成機構（スパッタリング対比気相反応）をどのように示唆するか？
• RQ5 高スペクトル分解能を持つHIFIデータは、ISO や PACS といった以前の機器に比べ、低質量YSOの力学的成分をより明確に解明できるか？

主な発見

• HIFIにより6本のH₂¹⁶O線とCO J=10–9が検出され、高圧力ボルツ（|v| > 50 km s⁻¹）で強く発光しており、COに比べてH₂Oの発光が顕著である。
• ボルツにおける励起状態は、温度>150 K、密度>10⁵ cm⁻³を示しており、広帯域成分と同等の物理的状態を示しており、類似した条件であることが裏付けられた。
• ボルツおよび広帯域成分の両方でH₂O/CO濃度比は約0.05–1.0であり、異なる起源を持つにもかかわらず、類似した化学的処理が行われていることが示唆された。
• ボルツにおけるH₂O冷却率は約3.5 × 10⁻⁴ L☉、広帯域成分では約1.3 × 10⁻³ L☉であり、全H₂O輝度を外挿した結果2–4 × 10⁻² L☉に達し、これらの成分でH₂Oが冷却を支配していることが示された。
• CO冷却率は広帯域成分で約6.0 × 10⁻³ L☉、ボルツで約0.4 × 10⁻³ L☉であったが、全CO冷却率（4.0 × 10⁻³ L☉）は全H₂O冷却率を下回っており、H₂Oが支配的冷却剤であることが確認された。
• 高いH₂O濃度と顕著なH₂Oの脱結合の欠如は、ボルツがH₂を豊富に含むことを示しており、高質量損失率（>10⁻⁶ M☉ yr⁻¹、断続的）の衝撃波における気相反応またはスパッタリングによる生成を支持する。