[论文解读] Hot Ammonia around O-type Young Stars. I. JVLA imaging of Ammonia (6,6) to (14,14) in NGC7538 IRS1

C. Goddi, Qizhou Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 40被引用 12

一句话总结

本研究利用高分辨率JVLA观测，对NGC7538 IRS1中的热核区域映射了高度激发的氨跃迁（J,K = 6,6 至 14,14），揭示了一个围绕大质量年轻恒星对象三合星系统的致密旋转包层。数据表明，这些高J谱线的光学厚度达到前所未有的水平（最高达26），表明这是目前已知最致密的热分子核，总气体质量为19–34 M⊙，并显示出围绕一个500 AU双星系统的原恒星包层中存在旋转运动。

ABSTRACT

To constrain theoretical models of high-mass star formation, observational signatures of mass accretion in O-type forming stars are desirable. Using the JVLA, we have mapped the hot and dense molecular gas in the hot core NGC7538 IRS1, with 0.2'' angular resolution, in seven metastable (J=K) inversion transitions of ammonia: (J,K)=(6,6), (7,7), (9,9), (10,10), (12,12), (13,13), and (14,14). These lines arise from energy levels between ~400 K and ~1950 K above the ground state, and are observed in absorption against the HC-HII region associated with NGC7538 IRS1. With a 500 AU linear resolution, we resolve the elongated North-South ammonia structure into two compact components: the main core and a southernmost component. Previous observations of the radio continuum with a 0.08'' (or 200 AU) resolution, resolved in turn the compact core in two (northern and southern) components. These features correspond to a triple system of high-mass YSOs IRS1a, IRS1b, and IRS1c identified with VLBI measurements of methanol masers. The velocity maps of the compact core show a clear velocity gradient in all lines, which is indicative of rotation in a (circumbinary) envelope, containing ~40 solar masses (dynamical mass). In addition, we derived physical conditions of the molecular gas: rotational temperatures ~280 K, ammonia column densities ~1.4-2.5 x 10^19 cm-2, H_2 volume densities ~3.5-6.2 x 10^10 cm-3, and a total gas mass in the range of 19-34 solar masses, for the main core. We conclude that NGC7538 IRS1 is the densest hot molecular core known, containing a rotating envelope which hosts a multiple system of high-mass YSOs, possibly surrounded by accretion disks. Future JVLA observations in the A-configuration are needed to resolve the binary system in the core and may allow to study the gas kinematics in the accretion disks associated with individual binary members.

研究动机与目标

• 表征O型原恒星周围原恒星分子气体的物理条件与运动学特性，尽管已有理论模型，但这些参数仍难以准确约束。
• 检验在大质量恒星形成过程中，是否可通过高J氨跃迁识别出吸积盘或包层结构。
• 利用亚稳态氨跃迁测量热核区域的旋转温度、柱密度、气体密度和质量。
• 研究在极端环境中高度激发氨跃迁的激发条件及光学厚度行为。

提出的方法

• 进行了高分辨率（0.2 arcsec）的JVLA观测，以映射从（6,6）到（14,14）的七个亚稳态（J=K）反转跃迁，探测的能级相对于基态的能量范围约为400 K至1950 K。
• 观测目标为NGC7538 IRS1中HC-HII区域的吸收特征，从而能够测量谱线的光学厚度和激发条件。
• 采用谱线拟合与超精细结构分析以推导光学厚度，重点在于解析核心区域复杂的发射结构。
• 应用旋转温度图（RTDs）和不同跃迁之间的光学厚度比值，以推导T_rot、NH3柱密度和H2体积密度。
• 利用配分函数和玻尔兹曼分布，在局部热动平衡（LTE）假设下对能级布居分布进行建模。
• 获取了25–35 GHz波段的连续图，以与氨吸收相关联，并识别出紧凑射电成分。

实验结果

研究问题

• RQ1 与O型原恒星相关的最致密热分子核中，其物理条件（温度、密度、质量）为何？
• RQ2 观测到的氨谱线速度梯度是否表明在原恒星盘或双星包层中存在旋转？
• RQ3 在大质量恒星形成区中，高度激发氨跃迁（J=K=6至14）的激发条件和光学厚度行为如何？
• RQ4 氨吸收的运动学与形态如何反映NGC7538 IRS1中大质量YSO三合星系统的结构？
• RQ5 高J氨跃迁能否作为探测O型原恒星周围最内层、最致密区域的可靠探针？

主要发现

• NGC7538 IRS1的主要氨核心具有约280 K的旋转温度，NH3柱密度约为1.4–2.5×10^19 cm^-2，H2体积密度约为3.5–6.2×10^10 cm^-3，总气体质量为19–34 M⊙（假设[NH3]/[H2] = 10^-7）。
• 最南侧的氨组分与核心相距1000 AU，温度为110 K，H2密度约为0.7–2×10^10 cm^-3，气体质量为4–12 M⊙。
• 高度激发氨跃迁的光学厚度最高达26，是迄今在大质量恒星形成区中测得的最高值之一，表明存在极端光学厚度。
• 在紧凑核心中，所有跃迁的视向速度场均显示出清晰的梯度，与包含约40 M⊙（动力学质量）的原恒星包层中的旋转一致。
• 氨吸收与射电连续图发射高度吻合，核心被解析为两个相距约500 AU的组分，分别对应于射电连续图的北部和南部组分。
• 三合星大质量YSO系统（IRS1a、IRS1b、IRS1c）得到确认，最南侧组分的径向速度约为–60 km/s，核心中的双星系统表现出–59 km/s和–56.4 km/s的速度。