JOYS$+$: A JWST/MIRI survey of the evolution of H$_2$ winds and jets from low-mass protostars

Título: JOYS+: Un sondeo de JWST/MIRI sobre la evolución de vientos y chorros de H2 en protostrellas de baja masa

1. Problema y Contexto

Las protostrellas de baja masa en formación están asociadas universalmente con flujos bipolares de gas que constan de dos componentes principales: vientos de gran ángulo y baja velocidad, y chorros (jets) colimados de alta velocidad. Estos flujos son cruciales para el mecanismo de lanzamiento magneto-centrífugo que permite la acreción de material hacia la protostrella al extraer momento angular del disco.

El problema central radica en comprender cómo evoluciona la componente molecular de hidrógeno ($H_2$) a medida que la protostrella crece y el sobreenvoltorio (envelope) se disipa. Históricamente, la observación de estos flujos en sus puntos de lanzamiento (dentro de unos cientos de UA) ha sido difícil debido a la alta extinción en las etapas tempranas (Clase 0 y I) y a la falta de sensibilidad en longitudes de onda infrarrojas. Además, existe una discrepancia no resuelta entre las tasas de pérdida de masa derivadas de líneas de CO sub-mm (gas frío) y las componentes moleculares calientes observadas anteriormente.

2. Metodología

El estudio utiliza datos del telescopio espacial JWST, específicamente del instrumento MIRI/MRS (Espectrómetro de Medio Infrarrojo), en el marco del programa JOYS+ (JWST Outflows and Jets Survey).

• Muestra: Se analizó una muestra de 33 protostrellas de baja masa (13 individuales y 20 múltiples) en las etapas Clase 0 y I.
• Observaciones: Se obtuvieron mapas de líneas rotacionales puras de $H_2$ (transiciones S(1) a S(8)) con una resolución espacial sin precedentes (hasta 0.3" o ~41-125 UA).
• Datos Complementarios: Se utilizaron mapas de CO (2-1 o 3-2) de ALMA para trazar el componente de gas frío arrastrado (entrained) y comparar la morfología.
• Análisis:
  • Se construyeron mapas de flujo y velocidad centróide de las líneas $H_2$.
  • Se midieron los ángulos de apertura de los vientos basándose en la extensión de la línea S(1).
  • Se extrajeron espectros en aperturas específicas en los lóbulos desplazados al azul.
  • Se realizó un ajuste de diagramas de rotación (rotation diagram fitting) para determinar la densidad de columna, la temperatura de excitación y la relación orto/para de $H_2$, asumiendo componentes de temperatura "cálida" y "caliente".
  • Se calcularon las tasas de pérdida de masa ($\dot{M}$) y el flujo de momento combinando la densidad de columna, la velocidad y el ancho del flujo.

3. Contribuciones Clave

• Resolución Espacial y Sensibilidad: Es el estudio más grande hasta la fecha que utiliza JWST para sondear la base de los flujos de salida (dentro de ~300 UA) en una muestra estadísticamente significativa de protostrellas Clase 0 e I.
• Caracterización de Componentes: Diferencia sistemáticamente entre el viento de gran ángulo (trazado por líneas de bajo $J$) y los choques/chorros (trazados por líneas de alto $J$).
• Cuantificación de la Evolución: Proporciona la primera evidencia observacional clara de cómo cambian las tasas de pérdida de masa, la temperatura y la morfología del viento de $H_2$ a medida que el sistema evoluciona de Clase 0 a Clase I.
• Resolución de la Discrepancia de Momento: Aborda la diferencia de 1-3 órdenes de magnitud entre el momento del flujo de $H_2$ cálido y el de CO frío, sugiriendo la existencia de un componente de $H_2$ frío no detectable con MIRI.

4. Resultados Principales

• Morfología y Estructura:

  • Las transiciones de bajo $J$ ($J \le 4$, como S(1)) trazan un viento de gran ángulo y baja velocidad (0-20 km/s) que coincide espacialmente con la emisión de CO de baja velocidad.
  • Las transiciones de alto $J$ ($J > 5$, como S(7)) están asociadas a nudos de choque y chorros colimados.
  • En las fuentes Clase 0 con chorros moleculares conocidos, se observa una estratificación radial de velocidades en la línea S(1), con velocidades más altas cerca del eje del chorro.

• Evolución del Ángulo de Apertura:

  • El ángulo de apertura del viento trazado por $H_2$ S(1) se ensancha significativamente, pasando de $\sim 20^\circ$ en la etapa Clase 0 a $\sim 90^\circ$ en la etapa Clase I. Esto sugiere que el viento va "cavando" un ángulo sólido mayor en el sobreenvoltorio con el tiempo.

• Temperatura y Masa:

  • Los diagramas de rotación revelan dos componentes térmicos claros: uno cálido ($\sim 600$ K) y uno caliente (1500-3000 K).
  • No hay evolución clara en las temperaturas de estos componentes entre las etapas Clase 0 e I. Esto sugiere que las temperaturas reflejan las condiciones típicas en los choques del flujo más que una estratificación térmica del viento en sí.
  • La componente cálida contiene dos órdenes de magnitud más de masa que la componente caliente y domina la tasa de pérdida de masa total.

• Tasas de Pérdida de Masa y Momento:

  • La tasa de pérdida de masa de $H_2$ cálido disminuye en dos órdenes de magnitud desde la etapa Clase 0 hasta la Clase II.
  • Existe una correlación positiva con la luminosidad bolométrica ($L_{bol}$) de la fuente.
  • Discrepancia de Momento: Las tasas de pérdida de masa y flujo de momento derivadas de $H_2$ cálido son 10 a 1000 veces menores que las derivadas del CO sub-mm frío. Esto implica la presencia de una gran cantidad de $H_2$ molecular frío (< 150 K) y posiblemente arrastrado, que no es detectable con JWST/MIRI debido a la baja excitación de sus líneas.

5. Significado y Conclusiones

• Validación de Modelos MHD: La disminución de las tasas de pérdida de masa y el aumento de los ángulos de apertura desde Clase 0 a I son consistentes con las predicciones de los modelos de viento de disco MHD (magnetohidrodinámicos). La ausencia de chorros moleculares de alta velocidad en las fuentes Clase I también apoya este escenario, donde la disociación molecular es más probable en las líneas de flujo internas.
• Naturaleza de los Choques: La constancia de las temperaturas de excitación a lo largo de la evolución sugiere que las propiedades térmicas observadas están dictadas por las condiciones de choque (modelos de choque C) dentro del flujo, en lugar de por la temperatura termodinámica del viento estacionario.
• Limitaciones y Futuro: El estudio destaca que JWST/MIRI es insensible al gas $H_2$ muy frío, lo que lleva a una subestimación de la masa total del flujo. Se requiere la detección de la línea S(0) (posible con futuros instrumentos como PRIMA/FIRESS o ELT/METIS) para cuantificar el componente frío y cerrar la brecha con las observaciones de CO.

En resumen, este trabajo establece un nuevo estándar en la caracterización de los flujos de salida protostelares, confirmando que el viento molecular es el principal transportador de masa en las etapas tempranas y proporcionando evidencia observacional sólida para los modelos de vientos de disco impulsados magnéticamente.