[論文レビュー] Water in star forming regions with Herschel (WISH) III. Far-infrared cooling lines in low-mass young stellar objects

A. Karska, Gregory J. Herczeg+23 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 80被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、WISHキープログラムに準拠して、ハーシェル-PACS分光法を用いて18個の低質量原始星の遠赤外線ライン放出を分析した。水蒸気とCOがガス冷却予算を支配しており、噴出流の壁に沿った非解離性衝撃波と関連する明著な励起成分が特定された。結果として、高J COとH2Oラインの放射度は、ボロメトリック光度と強く相関しており、共通の物理的起源を示している。一方、[O i]とOHは、内側のエンvelopeで発生する解離性衝撃波をトレースしており、クラス0からクラスIに移行するに従い冷却効率が低下している。

ABSTRACT

(Abridged) Far-infrared Herschel-PACS spectra of 18 low-mass protostars of various luminosities and evolutionary stages are studied. We quantify their far-infrared line emission and the contribution of different atomic and molecular species to the gas cooling budget during protostellar evolution. We also determine the spatial extent of the emission and investigate the underlying excitation conditions. Most of the protostars in our sample show strong atomic and molecular far-infrared emission. Water is detected in 17 objects, including 5 Class I sources. The high-excitation H2O line at 63.3 micron is detected in 7 sources. CO transitions from J=14-13 up to 49-48 are found and show two distinct temperature components on Boltzmann diagrams with rotational temperatures of ~350 K and ~700 K. H2O has typical excitation temperatures of ~150 K. Emission from both Class 0 and I sources is usually spatially extended along the outflow direction but with a pattern depending on the species and the transition. The H2O line fluxes correlate strongly with those of the high-J CO lines, as well as with the bolometric luminosity and envelope mass. They correlate less strongly with OH and not with [OI] fluxes. The PACS data probe at least two physical components. The H2O and CO emission likely arises in non-dissociative (irradiated) shocks along the outflow walls with a range of pre-shock densities. Some OH is also associated with this component, likely resulting from H2O photodissociation. UV-heated gas contributes only a minor fraction to the CO emission observed by PACS, based on the strong correlation between the shock-dominated CO 24-23 line and the CO 14-13 line. [OI] and some of the OH emission probe dissociative shocks in the inner envelope. The total far-infrared cooling is dominated by H2O and CO, with [OI] increasing for Class I sources.

研究の動機と目的

• 低質量原始星からの遠赤外線ライン放出を定量的に評価し、原子および分子種のガス冷却予算への寄与を特定すること。
• クラス0およびクラスIの源におけるライン放出の空間的広がりと励起状態を調査すること。
• 原始星の埋め込まれた段階におけるエネルギー的プロセスと冷却メカニズムの進化を理解すること。
• 若い星天体における遠赤外線ラインの励起に寄与する衝撃波とUV加熱の役割を解明すること。

提案手法

• 18個の低質量原始星を、さまざまな光度と進化段階でカバーするように、ハーシェル-PACS分光法で観測した。
• COおよびH2Oの回転ダイアグラムを作成し、励起状態を推定した。
• 複数のスパクセルにわたる空間分解輝度測定を実施し、コンパクトな成分と拡張成分を区別した。
• ライン放射度、ボロメトリック光度（Lbol）、エンvelope質量（Menv）の相関を分析し、物理的関連性を推察した。
• ラインプロファイルと空間分布を、低J COの噴出流マップと比較し、ライン放出と噴出流構造の関連を特定した。
• 衝撃波およびUV加熱モデルを用いて、観測されたライン比と空間パターンを解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量原始星における遠赤外線ガス冷却予算に、H2O、CO、[O i]、OHがそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ2 異なる元素のライン放出の空間的分布は、噴出流構造や物理的成分とどのように関連しているか？
• RQ3 観測された高J COおよびH2Oラインを励起する物理的条件（温度、密度、衝撃波）は何か？
• RQ4 原始星のクラス0からクラスIに移行するにあたり、これらのラインの励起および冷却特性はどのように変化するか？
• RQ5 観測された遠赤外線ライン放出の生成に、UV加熱と衝撃波励起のどちらが主たる役割を果たしているか？

主な発見

• 水蒸気は18個の原始星のうち17個で検出され、そのうち5個はクラスIに属する。179.5 µmの212−101線は全サンプルで検出され、63.3 µmの818−707線は7個の源で検出された。
• COラインはJ = 14−13からJ = 48−47まで検出され、回転ダイアグラムから約350 Kおよび約700 Kの2つの明確な成分が特定された。
• H2OおよびCOの放射は、サンプルの半数で噴出流に沿って空間的に拡張しており、10,000 AU以上のスケールをカバーしている。残りの半数は1,000 AU以内のコンパクトな放射を示した。
• H2Oおよび高J COラインの放射度は、ボロメトリック光度およびエンvelope質量と強く相関しており、衝撃励起ガスに共通の物理的起源があることを示している。
• [O i]およびOHラインは中心位置でピークを示し、互いに相関しているが、H2OやCOの放射度とは相関しないことから、解離性衝撃波が支配する内側領域をトレースしていると判明した。
• H2Oは全遠赤外線冷却の25–50%、COは5–50%を占め、[O i]は5–30%を寄与しており、クラスI源では相対的な重要性が増している。