[论文解读] APEX-CHAMP+ high-J CO observations of low-mass young stellar objects: III. NGC 1333 IRAS 4A/4B envelope, outflow and UV heating

U. A. Yíldíz, L. E. Kristensen+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 68被引用 56

一句话总结

本研究利用 APEX-CHAMP+ 和 Herschel-HIFI 的高-J CO 谱线观测，表征了 NGC 1333 IRAS 4A/4B 原恒星系统中温暖气体的特性，结果表明在原恒星周围 20 角秒范围内，紫外光子加热与喷流激波对温暖气体激发的贡献相当。数据表明，在冻结区域 CO 丰度下降，且内区 CO 丰度降低，表明存在超出简单冰升华的尘埃处理过程。

ABSTRACT

NGC 1333 IRAS 4A and IRAS 4B sources are among the best studied Stage 0 low-mass protostars which are driving prominent bipolar outflows. Most studies have so far concentrated on the colder parts (T<30K) of these regions. The aim is to characterize the warmer parts of the protostellar envelope in order to quantify the feedback of the protostars on their surroundings in terms of shocks, UV heating, photodissociation and outflow dispersal. Fully sampled large scale maps of the region were obtained; APEX-CHAMP+ was used for 12CO 6-5, 13CO 6-5 and [CI] 2-1, and JCMT-HARP-B for 12CO 3-2 emissions. Complementary Herschel-HIFI and ground-based lines of CO and its isotopologs, from 1-0 upto 10-9 (Eu/k 300K), are collected at the source positions. Radiative-transfer models of the dust and lines are used to determine temperatures and masses of the outflowing and UV-heated gas and infer the CO abundance structure. Broad CO emission line profiles trace entrained shocked gas along the outflow walls, with typical temperatures of ~100K. At other positions surrounding the outflow and the protostar, the 6-5 line profiles are narrow indicating UV excitation. The narrow 13CO 6-5 data directly reveal the UV heated gas distribution for the first time. The amount of UV-heated and outflowing gas are found to be comparable from the 12CO and 13CO 6-5 maps, implying that UV photons can affect the gas as much as the outflows. Weak [CI] emission throughout the region indicates a lack of CO dissociating photons. Modeling of the C18O lines indicates the necessity of a "drop" abundance profile throughout the envelope where the CO freezes out and is reloaded back into the gas phase, thus providing quantitative evidence for the CO ice evaporation zone around the protostars. The inner abundances are less than the canonical value of CO/H_2=2.7x10^-4, indicating some processing of CO into other species on the grains.

研究动机与目标

• 量化紫外光子加热与喷流激波在低质量原恒星中对温暖气体激发的相对贡献。
• 表征原恒星包层中 CO 丰度结构，特别是冻结与再处理区域的特性。
• 评估高-J CO 谱线在区分原恒星环境中激波与紫外加热的诊断价值。
• 通过建模具有光谱分辨率的谱线轮廓，为解释光谱未分辨的 Herschel-SPIRE 数据提供约束。

提出的方法

• 利用 APEX-CHAMP+ 在 650/850 GHz 波段，对 12 CO J=6–5 谱线（9 角秒分辨率）进行了高分辨率、完全采样的 4×4 角分映射。
• 对 13 CO J=6–5 和 [C I] J=2–1 进行了小范围映射，以追踪紫外加热气体和碳再结合。
• 利用 JCMT 上的 HARP-B 获取了 12 CO J=3–2 映射，以补充低-J 数据。
• 在喷流位置对深度同位素同质体（如 C18O）进行了观测，以约束光学厚度与激发条件。
• 利用 Herschel-HIFI 和地面望远镜获得的从 J=1–0 到 J=10–9 的谱线，构建了 CO 梯度分析与转动图。
• 采用尘埃与线发射的辐射转移模型，推导出气体温度、质量与 CO 丰度分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 IRAS 4A/4B 内包层中，紫外光子加热与激波特发的贡献在观测到的温暖气体中分别占多大比例？
• RQ2 CO 丰度在原恒星包层中如何变化，特别是在 CO 冻结与蒸发区域？
• RQ3 高-J CO 谱线在原恒星喷流与腔壁中多大程度上追踪激波气体，多大程度上追踪紫外加热气体？
• RQ4 观测到的谱线轮廓与激发温度与包含尘埃加热与化学处理的模型预测相比如何？
• RQ5 这些结果对解释类似源中光谱未分辨的 Herschel-SPIRE CO 谱线数据有何影响？

主要发现

• 在 IRAS 4A 周围 20 角秒半径范围内，紫外光子加热气体与喷流激波气体对温暖气体的贡献相当，两者温度均约为 100 K。
• 13 CO J=6–5 谱线首次直接揭示了紫外加热气体的分布，显示其在大尺度上主导了非源区发射。
• 对 C18O 谱线的建模要求在冻结区域存在 CO 丰度下降，为 CO 冰升华区的位置与范围提供了定量证据。
• 内区 CO 丰度低于经典的 2.7×10⁻⁴ 值，表明 CO 在尘埃表面经历了额外的处理，转化为其他物种。
• 12 CO J=6–5 谱线主要由激波气体主导，激发温度约为 100 K；而 13 CO J=6–5 谱线则追踪了被动加热与紫外加热气体，尤其在大半径区域更为显著。
• 光谱未分辨的 Herschel-SPIRE 数据中，12 CO 将主要受激波气体主导，13 CO 将主要受紫外加热气体主导，若无光谱分辨率，线比的可解释性将受到限制。