[论文解读] JOYS: Disentangling the warm and cold material in the high-mass IRAS 23385+6053 cluster

C. Gieser, H. Beuther+21 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 3被引用 1

一句话总结

本研究利用高分辨率的詹姆斯·韦布空间望远镜/MIRI 和 NOEMA 观测数据，分离出大质量原恒星 IRAS 23385+6053 中的暖（200–400 K）与冷（<100 K）气体组分。研究识别出多个由激波驱动的喷流，其中 J 型激波由 [Fe ii] 和 [Ni ii] 标识，而 C 型激波则由 H2 和 [S i] 辐射指示；尽管存在强烈的喷流，冷包层依然存在，支持持续的恒星形成。

ABSTRACT

(abridged) We study and compare the warm (&gt;100 K) and cold (&lt;100 K) material toward the high-mass star-forming region IRAS 23385+6053 (IRAS 23385 hereafter) combining high angular resolution observations in the mid-infrared (MIR) with the JWST Observations of Young protoStars (JOYS) project and with the NOEMA at mm wavelengths at angular resolutions of 0.2"-1". The spatial morphology of atomic and molecular species is investigated by line integrated intensity maps. The temperature and column density of different gas components is estimated using H2 transitions (warm and hot component) and a series of CH3CN transitions as well as 3 mm continuum emission (cold component). Toward the central dense core in IRAS 23385 the material consists of relatively cold gas and dust (~50 K), while multiple outflows create heated and/or shocked H2 and show enhanced temperatures (~400 K) along the outflow structures. An energetic outflow with enhanced emission knots of [Fe II] and [Ni II] hints at J-type shocks, while two other outflows have enhanced emission of only H2 and [S I] caused by C-type shocks. The latter two outflows are also more prominent in molecular line emission at mm wavelengths (e.g., SiO, SO, H2CO, and CH3OH). Even higher angular resolution data are needed to unambiguously identify the outflow driving sources given the clustered nature of IRAS 23385. While most of the forbidden fine structure transitions are blueshifted, [Ne II] and [Ne III] peak at the source velocity toward the MIR source A/mmA2 suggesting that the emission is originating from closer to the protostar.

研究动机与目标

• 解析大质量恒星形成区 IRAS 23385+6053 中暖气体与冷气体组分的空间分布。
• 通过中红外与毫米波段的发射线诊断，识别激波类型（J 型与 C 型）。
• 确定喷流在加热和化学富集周围介质中的作用。
• 评估尽管存在高能喷流，冷而致密包层的存活状况及其持续演化的能力。
• 评估中红外与毫米波线的诊断能力，以理解大质量原恒星环境。

提出的方法

• 利用 JWST/MIRI 中分辨率光谱仪（MRS）获取高角分辨率中红外数据，以测绘禁线跃迁和 H2 转动能级跃迁。
• 结合 NOEMA 的毫米波数据，观测分子线（如 CH3CN、SiO、SO、H2CO、CH3OH）和 3 毫米波段连续辐射。
• 利用线积分强度图分析原子与分子物种的空间形态。
• 通过 H2 和 CH3CN 跃迁的辐射转移建模估算气体温度与柱密度。
• 将蓝移发射特征与喷流动力学及源速度相关联，推断激发机制。
• 对比中红外与毫米波数据，识别中红外喷流的分子对应体，并追踪激波结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRAS 23385+6053 中暖气体与冷气体的空间分布及其物理条件（温度、密度）如何？
• RQ2 存在哪些类型的激波（J 型或 C 型）？它们如何通过发射线诊断识别？
• RQ3 JWST 观测到的中红外喷流与毫米波段观测到的分子喷流之间有何关系？
• RQ4 中心原恒星（源 A/mmA2）在驱动和提供喷流能量方面起什么作用？
• RQ5 尽管存在强烈的喷流，冷而致密的包层在多大程度上保持完整，并仍有利于持续的恒星形成？

主要发现

• IRAS 23385 的中心致密核中，存在温度约为 50 K 的冷气体与尘埃，H2 柱密度约为 10^24 cm⁻²。
• 多个双极喷流加热并激波作用于气体，沿喷流结构温度可达约 400 K，尤其在 H2 和 [S i] 辐射中明显。
• 一个高能喷流（喷流 III）显示出增强的 [Fe ii] 和 [Ni ii] 发射结，表明由多次过去爆发引起的 J 型激波。
• 另外两个喷流仅显示 H2 和 [S i] 辐射，与 C 型激波一致，且在毫米波分子线（如 SiO、SO、H2CO、CH3OH）中更为显著。
• [Ne ii] 和 [Ne iii] 线在 MIR 源 A/mmA2 的源速度处达到峰值，表明激发源靠近原恒星，可能由盘风或 X 射线照射的腔道引起。
• 冷 H2 与暖 H2 组分的柱密度均在 10^24 cm⁻² 量级，而热组分密度显著较低（约 10^22 cm⁻²），表明加热局限于局部区域。