[论文解读] Water emission from the high-mass star-forming region IRAS 17233-3606. High water abundances at high velocities

S. Leurini, A. Gusdorf+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究基于赫歇尔/哈菲仪器的观测，首次对大质量原恒星IRAS 17233-3606喷流中水和SiO的发射进行了自洽的激波模型分析。结果揭示了水的分数柱密度丰度为1.2–2.5×10⁻⁵，激波水质量达12.5 M⊕，峰值丰度达1.4×10⁻⁴，表明在大质量恒星形成过程中，高速激波区域具有高效的水生成效率。

ABSTRACT

We investigate the physical and chemical processes at work during the formation of a massive protostar based on the observation of water in an outflow from a very young object previously detected in H2 and SiO in the IRAS 17233-3606 region. We estimated the abundance of water to understand its chemistry, and to constrain the mass of the emitting outflow. We present new observations of shocked water obtained with the HIFI receiver onboard Herschel. We detected water at high velocities in a range similar to SiO. We self-consistently fitted these observations along with previous SiO data through a state-of-the-art, one-dimensional, stationary C-shock model. We found that a single model can explain the SiO and H2O emission in the red and blue wings of the spectra. Remarkably, one common area, similar to that found for H2 emission, fits both the SiO and H2O emission regions. This shock model subsequently allowed us to assess the shocked water column density, N(H2O)=1.2x10^{18} cm^{-2}, mass, M(H2O)=12.5 M_earth, and its maximum fractional abundance with respect to the total density, x(H2O)=1.4x10^{-4}. The corresponding water abundance in fractional column density units ranges between 2.5x10^{-5} and 1.2x10^{-5}, in agreement with recent results obtained in outflows from low- and high-mass young stellar objects.

研究动机与目标

• 通过分析激波喷流中的水发射，理解大质量恒星形成中的物理与化学过程。
• 确定IRAS 17233-3606（一颗邻近且明亮的大质量原恒星）喷流中水的丰度与质量。
• 检验单一激波模型是否能同时解释高速区域中SiO与H₂O的发射。
• 评估激波诱导化学反应与尘埃包膜溅射在大质量喷流中水生成过程中的作用。
• 为大质量喷流中水的丰度与质量提供基准值，此前该领域尚无相关文献报道。

提出的方法

• 利用赫歇尔空间望远镜搭载的HIFI仪器进行高分辨率水线观测。
• 将新的HIFI水数据与先前发表的APEX观测的SiO(5–4)和(8–7)谱线数据结合，进行联合分析。
• 应用一维、稳态C-激波模型，自洽地拟合SiO与H₂O的发射轮廓。
• 使用激波速度（30 km s⁻¹）、激波前密度（10⁶ cm⁻³）和磁场强度等参数，重现观测到的谱线强度。
• 基于同一激波模型推导出的H₂柱密度，计算水的柱密度与质量。
• 通过对比合成谱线轮廓与多条跃迁的观测谱线，验证模型的可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一C-激波模型能否同时重现IRAS 17233-3606大质量喷流中高速区域观测到的SiO与H₂O发射？
• RQ2 激波气体中水的分数丰度是多少？其与低质量及高质量喷流中的值相比如何？
• RQ3 喷流中水的总质量是多少？与其它喷流的估算值相比如何？
• RQ4 水的丰度是否与通过激波加热区域的尘埃包膜溅射和高温化学反应生成一致？
• RQ5 尽管光度与质量吸积率存在差异，该大质量喷流中的激波条件是否与低质量原恒星中的条件一致？

主要发现

• 单一C-激波模型成功解释了谱线红、蓝翼中SiO与H₂O的发射，表明其具有共同起源。
• 激波水柱密度估计为1.2×10¹⁸ cm⁻²，喷流中总水质量为12.5 M⊕。
• 以柱密度单位表示的水分数丰度范围为2.5×10⁻⁵至1.2×10⁻⁵，与其它低质量及高质量喷流中的值一致。
• 局部最大分数水丰度达到1.4×10⁻⁴，表明在激波加热区域中水的生成效率极高。
• 所推导的水丰度具有鲁棒性，且基于同一激波模型得出，避免了依赖CO基H₂柱密度估算带来的不确定性。
• 模型结果与其它喷流（如L1157-B1）的先前估算结果相容，尽管源的质量与光度存在差异。