universidad de chile facultad de ciencias físicas y matemáticas departamento de astronomía alma ...

102 Pages·2014·7.27 MB·Spanish

UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE ASTRONOMÍA
ALMA OBSERVATIONS OF THE MASSIVE MOLECULAR OUTFLOW G331.512-0.103:
PHYSICAL PROPERTIES, KINEMATICS, AND GEOMETRY MODELING
TESIS PARA OPTAR AL GRADO DE MAGÍSTER EN CIENCIAS, MENCIÓN
ASTRONOMÍA
CARLOS EDUARDO HERVÍAS CAIMAPO
PROFESOR GUÍA:
LEONARDO BRONFMAN AGUILÓ
PROFESOR CO-GUÍA:
LARS-ÅKE NYMAN
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
GUIDO GARAY BRIGNARDELLO
CATHERINE DOUGADOS
WILLIAM DENT
SANTIAGO DE CHILE
AGOSTO 2014
Resumen
El flujo molecular, bipolar y masivo G331.512-0.103 es uno de los flujos más potentes y
luminosos en nuestra Galaxia. Localizado a una distancia de ∼ 7.5 kpc, está localizado cerca
de la tangente del brazo espiral de Norma. Usando observaciones de alta resolución con el
interferómetro ALMA en varias lineas moleculares, se describe y caracteriza las condiciones
físicas, morfología y cinemática de la fuente. La fuente presenta un flujo bipolar y compacto,
no resuelto a 8(cid:48)(cid:48) y de alta velocidad, a ±70 km/s de la velocidad sistémica, una morfología
de anillo en emisión, que insinúa un posible cascarón en expansión, y emisión de gas denso a
alta velocidad, denominada “bala molecular”.
Las observaciones en banda 7 (alrededor de 345 GHz) de ALMA contienen una gran
cantidad de líneas en el ancho de banda. Este trabajo utilizará SiO(8-7) para cálculo de
densidad de columna y propiedades de los probables shocks; HCO+(4-3) y H13CO+(4-3) para
el cálculo de densidad de columna; múltiples líneas de SO y CH CCH para derivación de
2 3
temperaturas y densidad de columna mediante la técnica de diagrama rotacional, y análisis
de emisión en continuo de polvo en 862 µm para derivación de densidad.
La cinemática es cuantificada mediante gráficos posición-velocidad. Dos grupos de líneas
moleculares son evidentes: un grupo que traza el flujo mediante alas de alta velocidad en el
espectro y que, al mismo tiempo, traza a la velocidad ambiente un cascarón en expansión; y
unsegundogrupodelíneasquetrazasub-estructurassoloavelocidadambiente, caracterizada
por múltiples "sub-núcleos" de emisión.
Para evaluar el escenario que se describe en este trabajo, se realizan modelos de transfer-
encia radiativa en 3 dimensiones usando el código MOLLIE. Usando las condiciones físicas
derivadas y asumiendo distribuciones de velocidad que describen flujos y cascarones en ex-
pansión, se produjeron observaciones sintéticas de la línea SiO(8-7). Este modelo reproduce
cualitativamente los principales rasgos espectrales de la fuente.
i
Para mi mamá Cecilia y mi tía Marcela
ii
Agradecimientos
Primero, quisiera agradecer a las personas más importantes en mi vida, a mi familia, que me
criaron e hicieron posible todas las oportunidades que me permitieron lograr la persona que
soy hoy. A mi mamá Cecilia, mi hermana Javiera, mis tíos Marcela y Carlos y mis abuelos
Pietrina y Jose.
A mi profesor guía Leonardo Bronfman, por darme la oportunidad de aprender y trabajar
en uno de los campos más fascinantes de la astronomía, y por todo el apoyo que me brindo
en la elaboración de esta tesis. También agradezco a mi co-guía, Lars Åke-Nyman, por aque-
llas reuniones que fueron poco a poco mejorando este trabajo. A todas las personas que en
un momento u otro me aconsejaron sobre diversos aspectos de este trabajo: profesor Guido
Garay, Nadia Lo, Cristián Lopez, James Urquhart, Nicolás Duronea y sobre todo a Manuel
Merello, sin su ayuda esta tesis jamás pudiese haber sido completada.
A toda la gente de Calán, académicos y funcionarios. Especialmente a Lucho Lalo y Pablo
Vasquez, por todas aquellas conversaciones que compartimos.
A todos mis compañeros de magíster y doctorado y amigos en Calán, a aquellos con que com-
partí oficina. Ricardo, Juampi, Vicente, Sudeep, Juan, Jorge, Javier, Grecco, Seba Marchi,
Paula, Seba Marino, Maritza, Blake, Matías y Valentin. Muchas gracias por los momentos
compartidos, en el trabajo o fuera de él.
FinalmentequisieraagradecerelapoyofinancierootorgadoporCONICYT,BecasdeMagíster
Nacional.
iii
Contents
1 Introduction 1
1.1 Massive stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1 Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2 Theories of massive star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.3 Evolutionary sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.4 Outflows & Disks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 This work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Objectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2 G331.512-0.103: Previous work and description 10
2.1 Discovery of the outflow: Bronfman et al. (2008) . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Characterization of the GMC and mm clumps: Merello et al. (2013b) . . . . 13
2.3 ALMA observations of MM3: Merello et al. (2013a) . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 SiO cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Molecular bullet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 ALMA cycle 0 observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4.1 Emission maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Physical conditions 21
3.1 Molecular line tracers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Chemical segregation and “chemical clocks models” . . . . . . . . . . 24
3.2 LTE analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.1 H13CO+ and HCO+: column densities . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 SiO: outflow wings column densities and mass . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Rotational diagram analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1 SO lines: column densities and rot. temperatures . . . . . . . . . . . 28
2
3.3.2 CH CCH lines: column densities and rot. temperatures . . . . . . . 30
3
3.3.3 CH CCH sub-cores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3
3.3.4 Flat or steep temperature distribution? . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Estimation of fractional abundances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4.1 Comparison with other massive outflows . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5 RADEX χ2 minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.5.1 RADEX input/output . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.2 χ2 minimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5.3 Estimation of errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
iv
3.5.4 Locations probed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.5.5 Results: density and kinetic temperature estimations . . . . . . . . . 39
3.6 Dust continuum observations, density gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.6.1 Fit of a power-law density: 862 µm radial profile . . . . . . . . . . . . 40
3.7 SiO shocks: model and properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4 Geometry & Kinematics 43
4.1 Position-Velocity (PV) plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2 Bullet traced in H13CN ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2.1 Possible magnetic field effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.3 Radial and Azimuthal PV plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3.1 Baseline cases for comparison: perfect disk, ring and shell . . . . . . . 49
4.3.2 Radial PV plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.3 Azimuthal PV plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.4 Expanding ring model to SiO(8-7) azimuthal PV plot . . . . . . . . . 54
4.4 Fit of circles to channel maps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.1 Modeled expanding shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.2 H13CO+(4-3) data cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4.3 SiO(8-7) data cube . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5 Measuring the line-widths of the spectra for modeling . . . . . . . . . . . . 59
4.5.1 Possible tracing of infall in sub-core A with line-width gradient . . . . 60
4.6 Infall motion: probing the core with H13CO+ and the sub-core structures with
CH CCH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3
5 Radiative transfer modeling: SiO(8-7) observations 63
5.1 Estimation of physical conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.1 Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.1.2 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.1.3 Velocity field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.1.4 Line-width . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.1.5 Fractional abundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Radiative transfer model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.1 Simulating ALMA observations: the simobserve and simanalyze routines 65
5.2.2 Physical conditions of the outflow model . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2.3 Outflow model results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2.4 Physical conditions of the cavity and shell model . . . . . . . . . . . 69
5.2.5 Cavity and shell model results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.6 Full SiO(8-7) observations model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6 Summary & Future Work 74
6.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6.2 Future Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
A Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) formalism 77
A.1 For HCO+/H13CO+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
A.2 For SiO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
B MOLLIE CODE 79
v
B.1 Accelerated Λ Iteration (ALI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
B.2 Code description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Bibliography 81
vi
List of Tables
2.1 Parameters of molecular line observations. Reproduced from Merello et al.
(2013a). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 Parameters of SO lines observed in the ALMA data. . . . . . . . . . . . . . 16
2
2.3 Parameters of CH CCH lines observed in the ALMA data. . . . . . . . . . . 18
3
2.4 Parameters of other lines in the ALMA data. . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Molecule column density estimates on averaged spectra using different tech-
niques and molecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2 Properties of the CH CCH sub-cores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3
3.3 Molecule rotational temperature estimates on averaged spectra using the ro-
tational diagram technique for different molecules. . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Range of abundances of different molecules in the outflow. Fractional abun-
dances in other massive outflow sources. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.5 Points probed in SO lines to test the χ2 minimisation with RADEX and the
2
estimated properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1 Best fitted parameters for the expanding ring model. . . . . . . . . . . . . . 56
4.2 Line-width measurements using optically thin lines on different positions of
the ambient emission region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Infall velocities calculated where a blue asymmetric spectrum is available. . . 61
vii
List of Figures
1.1 Massive stars in the R136 cluster in the 30 Doradus region . . . . . . . . . . 2
1.2 From Beuther & Shepherd (2005). The evolution of massive outflows. . . . 7
1.3 Mechanical force-core mass correlation from Beuther et al. (2002b) . . . . . 8
2.1 CO, CS, and SiO spectra towards the position of the peak emission . . . . . 11
2.2 RGB image of mid-infrared and mm continuum emission of the G331.5-0.1
region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3 SED fitting to the MM3 clump . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.4 SiO(8-7) channel map. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 ALMA band 7 spectrum, showing the 4 spectral windows . . . . . . . . . . . 17
2.6 SO (11 −11 ) and CH CCH(21 −20 ) evidencing an elongated “tail” . . 19
2 4,8 3,9 3 0 0
2.7 Integrated emission maps of several molecular lines . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1 H13CO+ column density map from LTE analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2 Rotational diagrams of the SO lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2
3.3 Column density and rotational temperature estimates maps with SO rota-
2
tional diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Rotational diagrams of the CH CCH lines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3
3.5 CH CCH column density and rotational temperature estimates from the ro-
3
tational diagram analysis. The sub-cores from 3.3.3 are labeled. . . . . . . . 31
3.6 p-value distribution of rotational diagrams against E /k and ln(E /k) . . . . 33
u u
3.7 Points probed with SO lines and RADEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2
3.8 χ2 map in the density - kinetic temperature space . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.9 ALMA 862 µm continuum radial profile along with the fitted power law density 41
4.1 PV plots along the outflow axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.2 PV plots perpendicular to the outflow axis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.3 Comparison of PV plots and spatial emission at bullet velocities between
H13CO+ and H13CN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.4 Radial PV plots of baseline cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.5 Radial PV plots for several observed lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.6 Azimuthal PV plots of baseline cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.7 Azimuthal PV plots for several observed lines . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.8 Best fitted ring to the SiO(8-7) observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.9 Modeled shell radius vs. velocity of the channel . . . . . . . . . . . . . . . . 57
viii
4.10 Channel maps of the H13CO+ line. The best model ellipses that can be fitted
to the peaks are shown in green. The velocity of the channel is shown in km/s
in each panel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.11 Radius as a function of velocity for SiO(8-7) and H13CO+(4-3) . . . . . . . . 58
4.12 Averaged spectrum of several lines inside sub-core A and 2nd map showing
line-width gradient along radial distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.13 H13CO+(4-3) blue asymmetry spectrum in the emitting region . . . . . . . . 61
5.1 Antenna array and UV coverage of the simulated observations . . . . . . . . 66
5.2 Density, temperature and velocity profiles of the modeled outflow . . . . . . 67
5.3 Comparison of observed and modeled SiO(8-7) spectrum in the blue and red
peaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.4 Density and velocity profiles of the modeled cavity and shell . . . . . . . . . 70
5.5 Comparison of observed and modeled SiO(8-7) spectrum inside the cavity . . 71
5.6 Comparison of integrated emission maps and PV plots between model and
observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
ix