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京都大学大学院 理学研究科 辻本 匡弘

A Multi-wavelength Study on the X-ray Emissions from Young Stellar Objects in Orion Molecular Cloud 2 and 3. 京都大学大学院 理学研究科 辻本 匡弘. 2003年2月20日 博士論文公聴会. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary. Talk Plan. 1. “ from Young Stellar Objects ” ― YSO とは何か?

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  1. A Multi-wavelength Study on the X-rayEmissions from Young Stellar Objectsin Orion Molecular Cloud 2 and 3 京都大学大学院 理学研究科 辻本 匡弘 2003年2月20日 博士論文公聴会

  2. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary Talk Plan 1.“from Young Stellar Objects” ―YSOとは何か? 2. “a multi-wavelength study” ― 多波長による観測 3. “on the X-ray emissions” ― YSOからのX線放射 分かったこと、分からないこと 4. “in Orion Molecular Cloud 2・3” ― オリオン分子雲 2・3 本論文との対応 • Introduction [Sect. 1-3] • Observation [Sect. 4-5] • Analysis [Sect. 6-8] • Discussion [Sect. 9] • Summary [Sect. 10]

  3. class 0 class I class II class III 原始星(protostar) T Tauri型星 YSO (Young Stellar Objects) = 「前主系列星」 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1.YSOとは何か “from Young Stellar Objects” ジェット 降着円盤 中心星

  4. mm~submm連続波 (黒体輻射;10K) 分子雲 jet cm連続波 (自由・自由放射) X線(熱的プラズマ) cm 連続波 (gyro-synchrotron) 磁気活動 中心星 可視光,NIR(黒体輻射;103K) 降着円盤 NIR~FIR(黒体輻射;10~103K) mm輝線(分子回転遷移) NIR輝線(分子振動遷移) outflow I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.多波長観測による観測 ”a multi-wavelength study”

  5. X線カウントレート 30000秒 時刻 太陽 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3. YSOからのX線放射“on the X-ray emissions” • これまでの研究で分かったこと • 小質量 (0.2~2.0Mo) YSO を中心に観測 • 小質量 class III から class I までX線放射を確認 • X線スペクトルが、T=5~50 MK の熱的プラズマ • 速い立ち上がり、遅い減衰の光度曲線 ⇒ 太陽フレアの類推で説明 「磁気再結合による瞬間的な加熱でプラズマを生成」 • 分からないこと • 他の質量(M>2.0Mo or M<0.2Mo)のYSOは? • class I より若いYSOは? • フレアだけで説明できるのか?(静穏X線放射、温度) • フレア以外のX線放射機構はないのか?

  6. OMC-3 10分角 (=1.3 pc =4.3光年) OMC-2 our study field 2分角 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 4.オリオン分子雲 (OMC) 2・3“in Orion Molecular Cloud 2 and 3” • 近距離 : 450pc • 手頃なサイズ : 10’×20’ • 年齢 : 約 1 Myr • 大質量星~褐色矮星 • class 0~class III   (原始星の密度は最大)

  7. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary Talk Plan 1. X線による観測 (1) 装置 (2) 観測 (3) 結果 2. 近赤外線による観測 (1) 装置 (2) 観測 (3) 結果 3. X線-近赤外線対応 ――まとめ―― • Introduction [Sect. 1-3] • Observation [Sect. 4-5] • Analysis [Sect. 6-8] • Discussion [Sect. 9] • Summary [Sect. 10]

  8. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1.X線観測: (1) 装置(望遠鏡) • Chandra X-ray Observatory (CXO) • NASA’s “great observatories” の1つ • CGRO ガンマ線 1991年~2000年 • CXO X線 1999年~ • HST 近赤外、可視、紫外線 1990年~2010年(予定) • SIRTF 中間、遠赤外線 2003年~(予定) • 星形成領域の観測に最適 • 硬X線(E>2 keV)撮像・分光能力 ⇒ 濃い星間物質を見通す • 高い空間分解能 (1秒角) ⇒ YSOsを分離して測定する • 広い視野 (17分角四方) ⇒ 星形成領域を1視野に収める

  9. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1.X線観測: (1) 装置(検出器) • ACIS (Advanced CCD Imaging Spectrometer) -I • 1024×1024 pixels のX線CCDが4つ • 0.5-8.0 keV に感度 (軟X線 0.5-2 keV、硬X線 2-8 keV) • 分解能 • 空間: ΔΘ = 約1秒角 • エネルギー: ΔE = 約100eV • 時間: Δt = 約3秒 • low background

  10. OMC-2/3 10分角 10分角 軟X線硬X線 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1.X線観測: (2) 観測 • 観測緒元 • 日時: 2000年1月1日~2日 • 時間: 88,400 秒

  11. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1.X線観測: (3) 結果 • X線源の抽出 ⇒ 385個を検出 (約半数が新発見の天体) • X線源リスト作成 … 全ての線源に対し、 • 位置 (R.A., decl.) • X線カウント (0.5-8.0 keV でのX線光子の数) • Hardness Ratio := (H-S)/(H+S) S: 軟X線でのX線カウント H: 硬X線でのX線カウント • Appendix A

  12. J H K log (λFλ) λ(μm) I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summaryp (検出器) 2.近赤外線観測: (1) 装置(望遠鏡) • ハワイ大学88インチ (2.2m) 望遠鏡 (UH88) • Mauna Kea 山頂天文台群の1つ • QUIRC (Quick Infrared Camera) • 1024×1024 pixels 近赤外線カメラ • 視野: 3分角四方 • フィルタ: J (1.2μm)、H (1.6μm)、K (2.2μm)

  13. 10分角 JHK I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.近赤外線観測: (2) 観測 • 観測緒元 • 日時: 2001年2月4日~6日 2001年3月11日~13日 • バンド:J, H, K • 視野: 169視野 • 時間: 240秒 (H, Kバンド)    480秒 (Jバンド)

  14. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.近赤外線観測: (3) 結果 • 近赤外線源の抽出 ⇒ 1448個を検出 (約半数が新発見の天体) • 近赤外線源リストの作成 … 全ての線源に対し、 • 位置 (R.A., decl.) • J, H, K バンドでの等級 • Appendix B

  15. NIR非対応X線源: 107/385個 NIR対応X線源: 278/385個 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.X線―近赤外線対応 • 対応天体探査 • 385個のX線源に対し、2MASS対応天体を探査 ⇒ 203/385個に2MASS対応 • 2MASS対応のない182個のX線源に対し、QUIRC 対応天体を探査 ⇒ 75/385個にQUIRC 対応 • 2MASS = 2 Micron All Sky Survey • J, H, K バンドの全天サーベイカタログ • J < 15.8 mag、H < 15.3 mag、K < 14.8 mag • QUIRC 観測では • J < 17.5 mag、H < 16.5 mag、K < 16.0 mag 2MASS 対応 (203) QUIRC 対応 (75) 近赤外線 非対応 (107)

  16. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary II. Observation のまとめ • OMC-2/3 領域を • Chandra /ACIS-I を用いて、X線 (0.5-8.0 keV) で観測 • UH88/QUIRC を用いて、近赤外線 (J, H, K バンド) で観測 • 385個のX線源を検出 ⇒ 位置、X線カウント、hardness ratio を導出 • 1448個の近赤外線源を検出 ⇒ 位置、J、H、K バンドの等級を導出 • X線源-近赤外線源の対応 ⇒ 278/385個のX線源が近赤外線対応 107/385個のX線源が近赤外線非対応

  17. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary • NIR対応、非対応 • X線源の違い • 2. NIR対応X線源 • (1) NIR解析 • (2) X線時間解析 • (3) X線分光解析 • (4) X線時間・分光解析 • ――まとめ(前半)―― • 3. NIR非対応X線源 • (1) UH88による観測・結果 • (2) Subaruによる観測・結果 • (3) VLAによる観測・結果 • ――まとめ(後半)―― Talk Plan • Introduction [Sect. 1-3] • Observation [Sect. 4-5] • Analysis [Sect. 6-8] • Discussion [Sect. 9] • Summary [Sect. 10]

  18. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 銀河系内 back- and foreground 個数(期待値) 1.NIR対応、非対応X線源の違い 全NIR源 のKLF • NIR対応X線源は cloud members である(back- and foreground 天体の混入が無視できる) • 銀河系外の background 天体(AGNs) ではない K ~ K+dK mag の明るさを持つ銀河(=AGNs)の個数 dN は、 dN/dK=4000×10 0.67(K-17) /arcdeg2 NIR対応X線源は 6 mag<K<14 mag ⇒ AGNs は全体の 0.8% NIR対応 X線源のKLF • 銀河系内の back- and foreground 天体でもない KLF から K<14 mag では、back- and foreground 天体の混入は無視できる NIR対応X線源は殆どが K<14 mag

  19. NIR対応X線源 NIR非対応 X線源 1.3mm 強度図 NIR非対応 X線源 Chandra視野 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1.NIR対応、非対応X線源の違い • NIR非対応X線源はAGNsである • 明るいNIR非対応X線源のX線スペクトルが、べき-1.7のべき関数 Hardness Ratio のヒストグラム • Log N – log S 関係 Flux が S ergs/s/cm2以上のAGNsの個数N(>S) N(>S)=1200×(S/2x10-15)-1.0/arcdeg2 ⇒ 視野内のAGN個数(期待値)=約80個 (<107個) • 但し、一部は cloud members である • Log N – log S 関係 • 1.3 mm に幾分集中

  20. HM 4.0Mo Av=10 mag 2.0Mo 0.2Mo 0.002Mo IM VLM LM I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源:(1) NIR解析 • J/J-H 色・等級図 ⇒全てのNIR対応X線源の ① 質量、② 光度 (bolometric luminosity) を見積もる HM: M>10Mo IM: 10Mo>M>2Mo LM: 2Mo>M>0.2Mo VLM: M<0.2Mo

  21. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (1) NIR解析 • 全てのNIR線源も同様に4質量域に分類 ⇒ 各質量域のX線検出率

  22. 10分角 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (2) X線時間解析 「count rate 一定」でフィット χ2検定で棄却されたもの ⇒ 時間変動あり

  23. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (2) X線時間解析 • 時間解析の標本 • count > 200 • S/N > 10 ⇒ 120個を解析 ⇒ 66個に時間変動

  24. データ モデル(検出器の 応答を重畳) 10分角 (データ)ー(モデル) I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (3) X線分光解析 「熱的プラズマモデル」でフィット ⇒ ① 星間吸収量(NH)、② 温度(kT)、   ③ X線光度(Lx) 、④ 放射量(EM)を導出

  25. kT1=1.1 keV (13 MK) kT2=2.8 keV (32 MK) kT=1.1 keV (13 MK) kT=3.2 keV (37 MK) I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (3) X線分光解析 • 分光解析の標本 • count > 50 • S/N > 10 ⇒ 142個を解析 • 分光解析の手順 • 1温度プラズマ ↓(検定の有意水準<5%) • 2温度プラズマ 1温度 プラズマ (87) 2温度 プラズマ (41) no fit (14)

  26. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (4) X線時間・分光解析 • 時間・分光解析 … 増光時、静穏時別に分光解析 • 時間・分光解析の標本 • フレア的時間変動 • 増光時、静穏時ともに500counts以上 ⇒ 6個を解析

  27. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2.NIR対応X線源: (4) X線時間・分光解析 静穏時 増光時

  28. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary III. Analysis のまとめ (前半) • NIR対応X線源 = cloud members NIR非対応天体 = AGNs + some cloud members • NIR対応X線源のNIR解析 • 色・等級 (J/J-H) 図 ⇒ 各天体の ①質量、②光度 • 質量域 (HM,IM,LM,VLM) 毎のX線検出率 • NIR対応X線源のX線解析 • 時間解析 ⇒ 66/120個が時間変動 • 分光解析 ⇒ 87/124個が1温度、41/124個が2温度プラズマ ⇒ ① 吸収量、②温度、③ X線光度、④ 放射量 • 時間・分光解析 ⇒ 増光時、静穏時の ①、②、③、④

  29. A B C 1.3mm 強度図 NIR非対応 X線源 Chandra視野 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (1) UH88による観測・結果 • H2振動輝線による outflow の探査 • UH88/QUIRC で観測 • 観測緒元 • 日時: 2001年3月14日 • バンド:H2(2.12μm) • 視野: 3視野 • 時間: 300秒

  30. C NIR非対応 X線源 1.3 mm 強度図 1分角 1分角 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (1) UH88による観測・結果

  31. I128a@MMS2 A NH=1.3×1023cm-2 kT=3.1 keV EM=2.1×1053cm-3 MMS1 NIR非対応 X線源 MMS4 MMS2 MMS5 1.3 mm 強度図 MMS3 MMS6 1分角 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (1) UH88による観測・結果 • 1.3 mm ridge 上にあるNIR非対応X線源 • outflow に付随するもの … 4個 • outflow に付随しないもの … 6個 • outflow に付随するX線源の共通点 • H2に加え、CO, H13CO+の outflow に付随 • 3.6 cm 放射 ( jetをtrace ) に付随 • 1.3 mm cores に付随 • 極近傍(数秒角)に近赤外線 ⇒ jet/outflow に関連したX線放射 ⇒ outflow (Subaru) と jet (VLA) の高空間分解観測 I132@MMS3

  32. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (2) Subaruによる観測・結果 • Subaru Telescope • IRCS (Infrared Camera and Sepctrograph) • 1024×1024 pixels 近赤外線カメラ • 視野: 1分角四方 • 観測緒元 • 日時: 2000年11月30日、12月4日 • バンド:J, H, K, H2 • 時間: 600秒 (J, K, H2バンド)    300秒 (H バンド)

  33. I128a 5秒角 NIR非対応 X線源 I128a IRS5 IRS4 1.3 mm 強度図 I132 IRS3 K H2H I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (2) Subaruによる観測・結果 • IRS3, IRS5 は class I binary • X線源(I128a)はIRS3からoffset • I128a 付近から H2 outflow • I132 は K > 19.6 mag

  34. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (4) VLAによる観測・結果 • VLA (Very Large Array) • アンテナ27台からなる電波干渉計 • 観測緒元 • 日時: 2002年2月11日 • 周波数:3.6cm • 時間: 3.5時間

  35. IRS 5 VLA 1a 1秒角 IRS5 IRS4 H2 outflow IRS 3 H2 outflow I128a IRS3 VLA 1b I128a 3.6cm図 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3.NIR非対応X線源: (4) VLAによる観測・結果

  36. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary III. Analysis のまとめ (後半) • 1.3 mm ridge 上にあるNIR非対応X線源 • UH88/QUIRC による H2観測から • outflow に付随するもの … 4個 • outflow に付随しないもの … 6個 • I128a(@MMS2、①の代表)、I132(@MMS3、②の代表)を Subaru、VLA で高空間分解観測 • I128aは • NH=1.3×1023cm-2、kT=3.1 keV、EM=2.1×1053cm-3 • I128a付近から H2 outflow 及び cm jet • Class I protostar から offset、jet/outflow の方向に • I132は K>19.6 mag

  37. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 「NIR対応X線源」 1. 質量毎のX線放射の違い (1) HM のX線放射 (2) IM のX線放射 (3) VLM-IM のX線放射の同一性 2. IM-VLM のX線放射機構 (1) 2温度プラズマの確立 (2) 2温度プラズマの起源 ――まとめ(前半)―― 「NIR非対応X線」 3. NIR非対応X線源の放射 Talk Plan • Introduction [Sect. 1-3] • Observation [Sect. 4-5] • Analysis [Sect. 6-8] • Discussion [Sect. 9] • Summary [Sect. 10]

  38. 輻射層 p-p chain CNO cycle CNO cycle 対流層 小質量(含太陽) 0.08~2.0 Mo 中質量 2.0~10.0 Mo 大質量 10.0 Mo 以上 あり なし なし 磁気活動起源 星風起源 なし なし あり I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1. 質量毎のX線放射: (0) 主系列星のX線放射 

  39. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1. 質量毎のX線放射: (1) HMのX線放射 • X線分光解析から • kT = 0.64 keV (< 1 keV) • Lx/Lbol = 10-7.3 (10-7.1-10-7.6) • HM source からのX線放射は星風起源である • X線時間解析から • フレア的時間変動はない

  40. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1. 質量毎のX線放射: (2) IMのX線放射 • 連星率との比較から、IM YSOs はX線放射源である (cf. IM主系列星のX線放射はLM伴星のもの) 81% 92% (all but one) X線検出率 (80-90%) > 連星率 (15%) ⇒ IM YSOs は intrinsic なX線放射源

  41. 質量 (Mo) I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 1. 質量毎のX線放射: (3) VLM-IMの同一性 VLM LM IM HM • VLM, LM, IM YSOs は同じX線放射機構を持つ (cf. HM は異なるX線放射機構) • X線プラズマ温度の平均値が同じ IM (3.85±1.6 keV)、LM (2.30±2.0 keV)、VLM (2.0±2.3 keV) cf. HM (0.64 keV) • Lx/Lbol = 10-5~10-2 cf. HM (Lx/Lbol =10-7) • Lxが質量の 増加関数

  42. 1 keV 2-3 keV 全X線源 温度 (keV) 2温度を持つ X線源 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2. IM-VLMの放射機構:(1) 2温度プラズマの確立 • VLM, LM, IM のX線放射は、2放射成分(低温成分: kT~1 keV、高温成分: kT=2~3 keV)の組合せである • プラズマ温度の頻度分布 低温成分 高温成分 Tflare∝ f (B, L)

  43. 高温成分 低温成分 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2. IM-VLMの放射機構:(1) 2温度プラズマの確立 • VLM, LM, IM のX線放射は、2温度成分(低温: kT~1 keV、高温: kT=2~3 keV)の組合せである 静穏時 • プラズマ温度の頻度分布 • 異なる時間変動性 (1) 時間・分光解析 ⇒ 高温成分の EM が増大 増光時

  44. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2. IM-VLMの放射機構:(1) 2温度プラズマの確立 • VLM, LM, IM のX線放射は、2温度成分(低温: kT~1 keV、高温: kT=2~3 keV)の組合せである • プラズマ温度の頻度分布 • 異なる時間変動性 (1) 時間・分光解析 ⇒ 高温成分の EM が増大 • 異なる時間変動性 (2) 時間解析 フレア的時間変動X線源の殆ど全て ⇒ kT=2~3 keV (or higher) ⇒ 低温成分は静穏であり、高温成分が増光を担う

  45. HN Peg κ1 Cet SU Aur EK Dra 太陽 年齢(Gyr) I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 2. IM-VLMの放射機構:(2) 2温度プラズマの起源 • 低温成分はコロナ、高温成分はフレア起源である • 太陽、他の主系列星との比較 • 低温成分は静穏、 高温成分が増光 を担う 2-3 keV フレア 1 keV コロナ

  46. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary IV. Discussion のまとめ (前半) • NIR対応X線源について議論 • 質量域毎のX線放射 • HM source からのX線放射は星風起源である • IM YSOs は intrinsic なX線放射源である • VLM, LM, IM YSOs は同じX線放射機構を持つ • VLM, LM, IM のX線放射機構 • 低温 (kT~1 keV)、高温 (kT=2~3 keV)の組合せ • 低温(静穏) ⇒ コロナ、高温(時間変動) ⇒ フレア • 年齢とともに、両温度成分とも温度が下がっていく

  47. 紫外線 原始星 cm波 X線 I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3. NIR非対応X線源の放射: (1) outflow付随あり • jet/outflow 付随があるNIR非対応X線源は、 jet-induced plasma である ショックの 速度 密度 電離水素領域 星間物質の塊 EM、プラズマ温度 cm 波強度

  48. Becklin & Neugebauer (1967) “the BN object” I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary 3. NIR非対応X線源の放射: (2) outflow 付随なし • jet/outflow 付随がないNIR非対応X線源は、 more obscured(=younger) than class I’s (class 0?) • Kバンドの等級 >16.0mag (I132は >19.6mag) ⇒ LM class I より激しい減光 • 平均NHは class I の平均NHより数倍大きい • いくつかは mm波の cloud core (class 0 候補) に一致 • 8つの近赤外線源 • 7つは可視光対応あり • 1つは可視光対応なし 背景天体の可能性もあるが ….

  49. I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary Talk Plan • Introduction [Sect. 1-3] • Observation [Sect. 4-5] • Analysis [Sect. 6-8] • Discussion [Sect. 9] • Summary [Sect. 10]

  50. 星風 HM (>10Mo) 低温成分 (kT~1keV) IM (10-2Mo) コロナ NIR対応 X線源 (278) LM (2-0.2Mo) 高温成分 (kT=2-3keV) Chandra/ACIS観測 (0.5-8.0 keV) フレア VLM (<0.2Mo) 385 X線源 jet/outflow 付随 (4) jet- induced 1.3 mm ridge に分布 (10) 1448 NIR線源 deeply embedded YSOs jet/outflow 非付随 (6) NIR非対応 X線源 (107) UH88/QUIRC観測 (J, H, K) AGN I. Introduction II. Observation III. Analysis IV. Discussion V. Summary ― NIR解析 ― 質量、光度 総まとめ Subaru/IRCS H2 outflow ― X線解析 ― 時間変動、プラズマ諸量(吸収量、温度、X線光度、EM) VLA cm jet

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