[论文解读] The CHESS chemical Herschel surveys of star forming regions: Peering into the protostellar shock L1157-B1. I. Shock chemical complexity

C. Codella, B. Leflóch+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 69

一句话总结

本研究首次对L1157-B1原恒星弓形激波开展了无偏HIFI谱线巡天，探测到H2O、NH3、H2CO、CH3OH、CS、HCN和HCO+等关键激波示踪分子的高激发态谱线（最高达~200 K）。分析揭示了与冷（10–20 K）和热（1000–2000 K）相共存的温暖（≥200 K）气体组分，首次将激波化学与原恒星喷流中的激发条件联系起来。

ABSTRACT

We present the first results of the unbiased survey of the L1157-B1 bow shock, obtained with HIFI in the framework of the key program Chemical Herschel surveys of star forming regions (CHESS). The L1157 outflow is driven by a low-mass Class 0 protostar and is considered the prototype of the so-called chemically active outflows. The bright blue-shifted bow shock B1 is the ideal laboratory for studying the link between the hot (around 1000-2000 K) component traced by H2 IR-emission and the cold (around 10-20 K) swept-up material. The main aim is to trace the warm gas chemically enriched by the passage of a shock and to infer the excitation conditions in L1157-B1. A total of 27 lines are identified in the 555-636 GHz region, down to an average 3 sigma level of 30 mK. The emission is dominated by CO(5-4) and H2O(110-101) transitions, as discussed by Lefloch et al. (2010). Here we report on the identification of lines from NH3, H2CO, CH3OH, CS, HCN, and HCO+. The comparison between the profiles produced by molecules released from dust mantles (NH3, H2CO, CH3OH) and that of H2O is consistent with a scenario in which water is also formed in the gas-phase in high-temperature regions where sputtering or grain-grain collisions are not efficient. The high excitation range of the observed tracers allows us to infer, for the first time for these species, the existence of a warm (> 200 K) gas component coexisting in the B1 bow structure with the cold and hot gas detected from ground.

研究动机与目标

• 研究L1157-B1原恒星弓形激波中的化学复杂性，该区域是化学活性喷流的典型代表。
• 追踪由激波化学富集的温暖气体组分，弥合冷（10–20 K）与热（1000–2000 K）相之间的鸿沟。
• 利用高激发转动能级，推断激波示踪分子的激发条件（温度、密度）。
• 通过比较从尘埃冰幔中释放的物种（如NH3、H2CO、CH3OH）与H2O的发射轮廓，确定分子丰度增强的起源。
• 利用非-LTE辐射转移建模（RADEX与LAMDA分子数据库结合），约束喷流气体的物理条件。

提出的方法

• 在555–636 GHz频段，利用赫歇尔/HIFI仪器对L1157-B1弓形激波进行了无偏谱线巡天。
• 识别出27条发射线，包括CO(5–4)、H2O(110–101)、NH3、H2CO、CH3OH、CS、HCN和HCO+的高激发转动能级。
• 应用转动图法推导转动温度：HIFI的CH3OH线（E-形式，Eu = 32–211 K）为106 K，地面PdBI数据为12 K。
• 使用非-LTE辐射转移代码RADEX与LAMDA分子数据库，对CH3OH和H2CO的激发条件进行建模。
• 结合HIFI的CS(12–11)与地面观测的CS(2–1)和(3–2)线，推断气体的动能温度与H2密度，考虑可能的组分分离。
• 利用PdBI CH3OH图像获得的填充因子ff = 0.13，估算柱密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于高激发分子谱线，L1157-B1弓形激波中温暖气体组分的激发温度是多少？
• RQ2 CH3OH和H2CO等激波示踪分子在不同激发水平下的激发条件（Tkin, nH2）如何比较？
• RQ3 激波区域分子丰度增强的起源是什么？特别是NH3、H2CO和CH3OH是否源于尘埃冰幔的升华，还是气相生成？
• RQ4 挥发性物种（如CH3OH）的观测谱线轮廓在多大程度上与H2O发射相关，表明其具有共同的形成或释放机制？
• RQ5 对CH3OH和CS跃迁的非-LTE分析能否分辨出具有不同温度和密度的多个气体组分？

主要发现

• 首次在L1157-B1中探测到动能温度≥200 K的温暖气体组分，依据是CH3OH、H2CO和CS的高激发谱线。
• 对E-形式CH3OH线（Eu = 32–211 K）的非-LTE分析显示，其动能温度在10³–10⁷ cm⁻³的密度范围内均超过200 K。
• HIFI的CS(12–11)线结合地面观测的CS(2–1)和(3–2)线，暗示动能温度>300 K，但需考虑组分分离的可能性。
• 低速（LV）气体组分的H2密度（~10⁵ cm⁻³）高于中速（MV）气体组分（~4×10⁴ cm⁻³），表明喷流中较慢区域的物质更致密。
• CH3OH低温组分的柱密度为8×10¹⁴ cm⁻²，与先前的地面观测结果（Bachiller et al. 1995）一致。
• CH3OH高激发组分的柱密度约为10¹⁴ cm⁻²，表明存在显著的温暖、致密相发射。