[论文解读] Physical Conditions in Shocked Interstellar Gas Interacting with the Supernova Remnant IC 443

Ritchey, Adam M., Jenkins, Edward B.+4 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 13

一句话总结

本研究利用哈勃空间望远镜对IC 443超新星遗迹后方两颗背景恒星的高分辨率远紫外光谱，调查了星际气体与IC 443相互作用的物理条件。研究识别出具有增强热压强和降低尘埃耗竭的激波气体组分，表明其为激波下游的复合区；并检测到在高度电离物种中存在−620 km s−1的极高都普勒速度组分，与X射线观测推断的激波特性一致，为复杂超新星遗迹−分子云相互作用环境中激波加热后冷却气体的存在提供了直接证据。

ABSTRACT

We present the results of a detailed investigation into the physical conditions in interstellar material interacting with the supernova remnant IC 443. Our analysis is based on a comprehensive examination of high-resolution far-ultraviolet spectra obtained with the Space Telescope Imaging Spectrograph onboard the Hubble Space Telescope of two stars behind IC 443. One of our targets (HD 43582) probes gas along the entire line of sight through the supernova remnant, while the other (HD 254755) samples material located ahead of the primary supernova shock front. We identify low velocity quiescent gas in both directions and find that the densities and temperatures in these components are typical of diffuse atomic and molecular clouds. Numerous high velocity components are observed in the absorption profiles of neutral and singly-ionized atomic species toward HD 43582. These components exhibit a combination of greatly enhanced thermal pressures and significantly reduced dust-grain depletions. We interpret this material as cooling gas in a recombination zone far downstream from shocks driven into neutral gas clumps. The pressures derived for a group of ionized gas components at high positive velocity toward HD 43582 are lower than those of the other shocked components, pointing to pressure inhomogeneities across the remnant. A strong very high velocity component near -620 km/s is seen in the absorption profiles of highly-ionized species toward HD 43582. The velocity of this material is consistent with the range of shock velocities implied by observations of soft thermal X-ray emission from IC 443. Moderately high-velocity gas toward HD 254755 may represent shocked material from a separate foreground supernova remnant.

研究动机与目标

• 确定与超新星遗迹IC 443相互作用的星际气体中的物理条件——包括密度、温度、压强和电离状态。
• 表征沿视线穿过遗迹及其周围介质的激波气体的运动学和电离结构。
• 评估尘埃颗粒破坏与耗竭在激波加热区域的作用，特别是与激波特速和压强的关系。
• 通过将观测到的吸收线轮廓与理论激波特征进行比较，检验超新星遗迹−分子云相互作用的理论模型。

提出的方法

• 利用哈勃空间望远镜上的空间望远镜成像光谱仪（STIS）对IC 443后方的两颗早期型恒星（HD 43582和HD 254755）进行高分辨率远紫外光谱观测。
• 对中性与电离原子物种（如C i、Si ii、C ii、Al ii、Fe ii、Zn ii、S ii、Na i、Ca ii）以及分子物种（如CH+、CH、C2）的吸收线进行详细轮廓拟合，以推导组分径向速度、多普勒b值和柱密度。
• 对每种离子使用多个跃迁谱线，以加权平均法获得更精确的参数，并对C i、C i*和C i**的精细结构能级采用整体轮廓合成方法。
• 将观测到的电离与耗竭模式与理论激波模型进行比较，以推断激波特速、激波后压强及复合区特征。
• 将高速吸收组分与X射线发射特征及γ射线数据进行相关性分析，以验证激波模型并约束激波特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在主激波下游的复合区，与IC 443相互作用的激波特性气体的热力学和电离状态如何？
• RQ2 与平静气体相比，高速激波组分中尘埃颗粒耗竭和元素丰度如何变化？这反映了尘埃颗粒的何种处理过程？
• RQ3 在高度电离物种中观测到的−620 km s−1极高都普勒速度组分的起源是什么？其与X射线观测推断的激波特速有何关联？
• RQ4 在遗迹中是否存在压强不均匀性？其在观测到的吸收组分中如何表现？
• RQ5 对HD 43582和HD 254755的观测吸收线轮廓能否由激波与原子云和分子云相互作用的模型加以解释？

主要发现

• 在高度电离物种（如C iv、Si iv）中识别出−620 km s−1的极高都普勒速度组分，与软X射线发射推断的激波特速一致，支持其源于快速激波前缘。
• 在HD 43582视线方向，中性与一价电离物种的高速组分表现出显著增强的热压强和明显降低的尘埃耗竭，表明其为激波下游的复合区中冷却气体。
• 在正高速度区的离子气体组分群中，压强低于其他激波组分，表明遗迹中存在压强不均匀性。
• 在HD 254755视线方向，负速度区的中等高速气体表现出低N(Na i)/N(Ca ii)和高N(Ca i)/N(K i)比值，表明尘埃颗粒被激波高效破坏。
• 在HD 254477和HD 254577视线方向，对CH+和CH吸收的初步探测表明存在激波加热的分子气体，与IC 443区域已知的分子团块一致。
• 在两颗恒星视线方向的低速平静气体组分具有典型弥散原子云和分子云的密度与温度，可作为激波气体比较的基准。