[论文解读] The complete far-infrared and submillimeter spectrum of the Class 0 protostar Serpens SMM1 obtained with Herschel. Characterizing UV-irradiated shocks heating and chemistry

J. R. Goicoechea, J. Cernicharo+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2012

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 60被引用 46

一句话总结

本研究利用赫歇尔望远镜对金牛座SMM1这一Class 0原恒星进行了首次完整的远红外与亚毫米波段光谱扫描，探测到CO、H2O、OH以及原子精细结构线的145条以上发射线。数据揭示了喷流冲击气体中存在三个温度成分（800 K、375 K、150 K），紫外辐射激发的解离性与非解离性J型冲击波可解释[O i]、OH和H2O的激发与化学过程，同时推断出高气体密度（>5×10⁶ cm⁻³）及低CO和H2O丰度（≤10⁻⁴和≤0.5×10⁻⁵）。

ABSTRACT

We present the first complete 55-671 um spectral scan of a low-mass Class 0 protostar (Serpens SMM1) taken with the PACS and SPIRE spectrometers on board Herschel. More than 145 lines have been detected, most of them rotationally excited lines of 12CO (full ladder from J=4-3 to 42-41), H2O, OH, 13CO, HCN and HCO+ . Bright [OI]63,145um and weaker [CII]158 and [CI]370,609um lines are also detected. Mid-IR spectra retrieved from the Spitzer archive are also first discussed here, they show clear detections of [NeII], [FeII], [SiII] and [SI] fine structure lines as well as weaker H2 S(1) and S(2) pure rotational lines. The observed line luminosity is dominated by CO (~54%), H2O (~22%), [OI] (~12%) and OH (~9%) emission. A non-LTE radiative transfer model allowed us to quantify the contribution of the 3 different temperature components suggested by the 12CO rotational ladder (Tk(hot)~800 K, Tk(warm)~375 K and Tk(cool)~150 K). Gas densities n(H2)~5x10^6 cm^-3 are needed to reproduce the observed far-IR lines arising from shocks in the inner protostellar envelope for which we derive upper limit abundances of x(CO)~10^-4, x(H2O)~0.2x10^-5 and x(OH)~10^-6. The lower energy submm 12CO and H2O lines show more extended emission that we associate with the cool entrained outflow gas. Fast dissociative J-shocks (v_s > 60 km s^-1) as well as lower velocity non-dissociative shocks (v_s < 20 km s^-1) are needed to explain both the atomic lines and the hot CO and H2O lines respectively. Observations also show the signature of UV radiation and thus, most observed species likely arise in UV-irradiated shocks. Dissociative J-shocks produced by an atomic jet are the most probable origin of [OI] and OH emission and of a significant fraction of the warm CO emission. In addition, H2O photodissociation in UV-irradiated non-dissociative shocks can also contribute to the [OI] and OH emission.

研究动机与目标

• 利用完整的远红外与亚毫米波段光谱调查，表征低质量Class 0原恒星内包层的物理与化学条件。
• 区分冲击波与紫外辐射对关键分子（如CO、H2O、OH）及原子精细结构线激发与化学过程的贡献。
• 通过多组分辐射转移建模，量化冲击气体中的温度、密度与分子丰度。

提出的方法

• 利用赫歇尔望远镜的PACS与SPIRE光谱仪，获取了55至671 μm的完整光谱扫描，探测到高激发转动能级的跃迁。
• 对12 CO转动能级阶梯及其他分子谱线应用多组分非局部热动平衡（non-LTE）辐射转移模型，推导出气体温度（T_k）与密度（n(H2)）。
• 利用12 CO转动能级图推断出三个不同的温度成分：高温（~800 K）、中温（~375 K）与低温（~150 K）。
• 分析斯皮兹勒档案中的中红外光谱，探测精细结构线（如[Ne ii]、[Fe ii]、[Si ii]、[S i]）与H2转动能级线。
• 利用冲击波模型解释高J值CO、H2O与OH谱线的激发，区分高速解离性J型冲击波（v_s > 60 km s⁻¹）与低速非解离冲击波（v_s ≤ 20 km s⁻¹）。
• 通过检测弱[ C ii]与[ C i]线，以及高HCO⁺/HCN丰度比，评估紫外辐射的影响，表明观测环境为紫外辐射激发的冲击波区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 Class 0原恒星Serpens SMM1的内包层中，其完整的远红外与亚毫米波段光谱揭示了怎样的物理条件（温度、密度、柱密度）？
• RQ2 观测到的高激发分子谱线（如CO J=42-41，H2O最高能级E_u/k=1036 K）与原子精细结构线（如[O i]63 μm）的起源是什么？
• RQ3 紫外辐射激发的冲击波，特别是解离性与非解离性J型冲击波，在解释H2O、OH与[O i]的观测化学与激发过程中起多大作用？
• RQ4 推导出的分子丰度（CO、H2O、OH）与冷云或完全屏蔽的高温核心中的预期值相比如何？
• RQ5 嵌入的原子喷流与出流腔壁在塑造观测到的谱线发射与化学分布中起什么作用？

主要发现

• 12 CO转动能级图揭示三个明显的温度成分：T_k^hot ≈ 800 K，T_k^warm ≈ 375 K，T_k^cool ≈ 150 K，表明存在多种加热机制。
• 高温与中温成分的气体密度估计为n(H2) ≥ 5 × 10⁶ cm⁻³，与内包层中高密度冲击气体一致。
• 高温与中温成分中分子的上限丰度为x(CO) ≤ 10⁻⁴，x(H2O) ≤ 0.5 × 10⁻⁵，x(OH) ≤ 10⁻⁶（以H2为基准），表明尽管激发能级较高，但水的丰度仍较低。
• [O i]63 μm谱线为最强发射线，其速度偏移与高激发特性最符合来自嵌入原子喷流的高速解离性J型冲击波（v_s > 60 km s⁻¹）的解释。
• 激发态H2O谱线（最高E_u/k = 1036 K）与低速非解离冲击波（v_s ≤ 20 km s⁻¹）一致，表明紫外辐射照射的腔壁中H2O的光致离解可能贡献了OH与[O i]的发射。
• 中红外波段检测到[Ne ii]、[Fe ii]、[Si ii]与[S i]精细结构线，同时存在弱[ C ii]与[ C i]线，证实了紫外辐射场的存在，表明大多数观测物种源于紫外辐射激发的冲击波。