[论文解读] Infrared Observations of Hot Gas and Cold Ice toward the Low Mass Protostar Elias 29

A. C. A. Boogert, Aggm Tielens+6 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|May 2, 2000

Molecular Spectroscopy and Structure参考文献 1被引用 15

一句话总结

本研究首次获得了低质量Class I原恒星Elias 29在1–200 μm波段的完整ISO光谱，揭示了激发温度T_ex > 300 K的热CO和H₂O气体，以及冷冰吸收特征（CO、CO₂、H₂O及一个6.85 μm特征）。尽管气体温度较高，类似于大质量原恒星，但未检测到冰的热处理痕迹——表明低质量原恒星中存在与大质量原恒星不同的加热机制，可能归因于盘面屏蔽或不同的包层结构。

ABSTRACT

We have obtained the full 1-200 um spectrum of the low luminosity (36 Lsun) Class I protostar Elias 29 in the Rho Ophiuchi molecular cloud. It provides a unique opportunity to study the origin and evolution of interstellar ice and the interrelationship of interstellar ice and hot core gases around low mass protostars. We see abundant hot CO and H2O gas, as well as the absorption bands of CO, CO2, H2O and ``6.85 um'' ices. We compare the abundances and physical conditions of the gas and ices toward Elias 29 with the conditions around several well studied luminous, high mass protostars. The high gas temperature and gas/solid ratios resemble those of relatively evolved high mass objects (e.g. GL 2591). However, none of the ice band profiles shows evidence for significant thermal processing, and in this respect Elias 29 resembles the least evolved luminous protostars, such as NGC 7538 : IRS9. Thus we conclude that the heating of the envelope of the low mass object Elias 29 is qualitatively different from that of high mass protostars. This is possibly related to a different density gradient of the envelope or shielding of the ices in a circumstellar disk. This result is important for our understanding of the evolution of interstellar ices, and their relation to cometary ices.

研究动机与目标

• 利用高动态范围红外光谱，研究低质量原恒星包层中气体与冰的物理和化学状态。
• 比较低质量原恒星（如Elias 29）与大质量、高亮度原恒星在气体和固态成分及其冰的热处理方面的异同。
• 确定星际冰是否在低质量系统中幸存于恒星形成过程，并是否被保留在彗星天体中。
• 评估原行星盘和包层结构在低质量原恒星中屏蔽冰免受热处理的作用。
• 通过分析气体和冰的丰度及其激发条件，约束Elias 29的演化状态。

提出的方法

• 利用红外空间望远镜（ISO）获取Elias 29在1–200 μm波段的完整光谱，充分发挥其在远红外至中红外波段的灵敏度。
• 在光谱中识别并分析来自热分子气体（CO、H₂O）和固态冰（CO、CO₂、H₂O、6.85 μm带）的吸收特征。
• 通过激发温度分析（T_ex > 300 K）推断内包层中存在显著加热，表明气体温度较高。
• 量化冰的丰度，并通过带型轮廓检查热处理的迹象（如结晶、带宽展宽），与大质量原恒星进行比较。
• 通过建模Sed并对比观测到的柱密度（N_H ~ 1.2 × 10²³ cm⁻²），评估盘面几何结构与包层密度分布的作用。
• 结合X射线数据（爆发期间N_H ~ 2 × 10²³ cm⁻²）以约束盘面倾角与几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 低质量原恒星Elias 29中热气体与冷冰的物理条件，与大质量原恒星相比如何？
• RQ2 在低质量原恒星包层中，星际冰的热处理程度如何，其带型轮廓提供了哪些证据？
• RQ3 原行星盘在屏蔽低质量原恒星中冰免受热处理方面起什么作用？
• RQ4 为何低质量原恒星如Elias 29表现出高气体温度但未发生热处理的冰，而大质量原恒星则不然？
• RQ5 观测到的Sed和吸收特征能否通过具有特定倾角与密度结构的盘-包层模型加以解释？

主要发现

• Elias 29的光谱显示出强吸收特征，来自激发温度超过300 K的热CO和H₂O气体，表明内包层存在显著加热。
• 检测到丰富的冰，包括CO、CO₂、H₂O及一个6.85 μm特征，但均未显示明显的热处理迹象，如结晶或带型轮廓展宽。
• 尽管气体温度与演化程度较高的大质量原恒星（如GL 2591）相当，其冰带轮廓却与演化程度较低的大质量源（如NGC 7538:IRS9）相似。
• 缺乏热处理痕迹表明，Elias 29中的冰可能受到屏蔽，免受高温环境影响，这很可能归因于原行星盘或扩展的包层几何结构。
• 观测到的H₂O:CO₂冰丰度比与星际冰成分一致，表明原恒星演化过程中冰的化学变化极小。
• Sed与柱密度约束（N_H ~ 1.2 × 10²³ cm⁻²）表明盘面以中等至高倾角（可能接近面朝）被观测到，这有助于解释吸收光谱及X射线柱密度的变化。