Skip to content

To bring about breakthroughs in international space research

  • Home
  • Onderzoeksvragen
  • Pijlers
  • Missies
  • Over ons
  • Contact
Home
    Logo van SRON Space Research Organisation Netherlands

    SRON | Space Research Organisation Netherlands

    SRON space research institute

    Logo van SRON Space Research Organisation Netherlands
    • Onderzoeksvragen
    • Pijlers
      • Wetenschap
      • Technologie
      • Instrumentatie
      • Onze mensen
      • Impact
    • Missies
    • Over ons
    • Actueel
    • Contact
    • SRON Academy
    • Werken bij
    • Bezoek aan SRON
    Home
      • Onderzoeksvragen
        • Hoe ontrafelen we de fysica achter zwarte gaten?
        • Hoe kunnen we de zwakste exoplaneten waarnemen?
        • Waar worden broeikasgassen uitgestoten?
        • Hoe speciaal is de aarde in de context van het heelal?
        • Hoe ontstaan en groeien zwarte gaten?
        • Hoe beïnvloeden aerosolen het klimaat?
        • Hoe ontstaan sterren en planeten?
        • Hoe beïnvloedt klimaatverandering het leven op aarde?
      • Pijlers
        • Wetenschap
          • Aardobservatie
            • Methaan
            • Aerosolen en Wolken
            • CO2
            • Koolmonoxide
          • Astrofysica
            • Lage energie
            • Hoge energie
            • Exoplaneten
        • Technologie
        • Instrumentatie
          • Nanotechnologie
          • Cryogenica
          • Optica
          • Electronica
          • PA/QA kwaliteit
          • Mechanica / Realisatie
        • Onze mensen
        • Impact
      • Missies
        • Actief
          • ALMA
          • GUSTO
          • PACE
          • Sentinel-5p
          • SPEX airborne
          • XRISM
        • In ontwikkeling
          • ARIEL
          • LISA
          • Sentinel-5
        • Legacy
          • BeppoSAX
          • STO2
      • Over ons
        • Faciliteiten
        • Geschiedenis
      • Actueel
      • Contact
      • SRON Academy
      • Werken bij
      • Bezoek aan SRON
      donkerblauwe versie van het logo van SRON space research organisation netherlands
      • Privacy policy
      01/04/2021

      Water in star-forming regions: physics and chemistry from clouds to disks as probed by Herschel spectroscopy

      Context. Water is a key molecule in the physics and chemistry of star and planet formation, but it is difficult to observe from Earth. The Herschel Space Observatory provided unprecedented sensitivity as well as spatial and spectral resolution to study water. The Water In Star-forming regions with Herschel (WISH) key program was designed to observe water in a wide range of environments and provide a legacy data set to address its physics and chemistry.
      Aims: The aim of WISH is to determine which physical components are traced by the gas-phase water lines observed with Herschel and to quantify the excitation conditions and water abundances in each of these components. This then provides insight into how and where the bulk of the water is formed in space and how it is transported from clouds to disks, and ultimately comets and planets.
      Methods: Data and results from WISH are summarized together with those from related open time programs. WISH targeted ~80 sources along the two axes of luminosity and evolutionary stage: from low- to high-mass protostars (luminosities from <1 to > 105 L⊙) and from pre-stellar cores to protoplanetary disks. Lines of H2O and its isotopologs, HDO, OH, CO, and [O I], were observed with the HIFI and PACS instruments, complemented by other chemically-related molecules that are probes of ultraviolet, X-ray, or grain chemistry. The analysis consists of coupling the physical structure of the sources with simple chemical networks and using non-LTE radiative transfer calculations to directly compare models and observations.
      Results: Most of the far-infrared water emission observed with Herschel in star-forming regions originates from warm outflowing and shocked gas at a high density and temperature (> 105 cm−3, 300-1000 K, v ~ 25 km s−1), heated by kinetic energy dissipation. This gas is not probed by single-dish low-J CO lines, but only by CO lines with Jup > 14. The emission is compact, with at least two different types of velocity components seen. Water is a significant, but not dominant, coolant of warm gas in the earliest protostellar stages. The warm gas water abundance is universally low: orders of magnitude below the H2O/H2 abundance of 4 × 10−4 expected if all volatile oxygen is locked in water. In cold pre-stellar cores and outer protostellar envelopes, the water abundance structure is uniquely probed on scales much smaller than the beam through velocity-resolved line profiles. The inferred gaseous water abundance decreases with depth into the cloud with an enhanced layer at the edge due to photodesorption of water ice. All of these conclusions hold irrespective of protostellar luminosity. For low-mass protostars, a constant gaseous HDO/H2O ratio of ~0.025 with position into the cold envelope is found. This value is representative of the outermost photodesorbed ice layers and cold gas-phase chemistry, and much higher than that of bulk ice. In contrast, the gas-phase NH3 abundance stays constant as a function of position in low-mass pre- and protostellar cores. Water abundances in the inner hot cores are high, but with variations from 5 × 10−6 to a few × 10−4 for low- and high-mass sources. Water vapor emission from both young and mature disks is weak.
      Conclusions: The main chemical pathways of water at each of the star-formation stages have been identified and quantified. Low warm water abundances can be explained with shock models that include UV radiation to dissociate water and modify the shock structure. UV fields up to 102−103 times the general interstellar radiation field are inferred in the outflow cavity walls on scales of the Herschel beam from various hydrides. Both high temperature chemistry and ice sputtering contribute to the gaseous water abundance at low velocities, with only gas-phase (re-)formation producing water at high velocities. Combined analyses of water gas and ice show that up to 50% of the oxygen budget may be missing. In cold clouds, an elegant solution is that this apparently missing oxygen is locked up in larger μm-sized grains that do not contribute to infrared ice absorption. The fact that even warm outflows and hot cores do not show H2O at full oxygen abundance points to an unidentified refractory component, which is also found in diffuse clouds. The weak water vapor emission from disks indicates that water ice is locked up in larger pebbles early on in the embedded Class I stage and that these pebbles have settled and drifted inward by the Class II stage. Water is transported from clouds to disks mostly as ice, with no evidence for strong accretion shocks. Even at abundances that are somewhat lower than expected, many oceans of water are likely present in planet-forming regions. Based on the lessons for galactic protostars, the low-J H2O line emission (Eup < 300 K) observed in extragalactic sources is inferred to be predominantly collisionally excited and to originate mostly from compact regions of current star formation activity. Recommendations for future mid- to far-infrared missions are made.

      een modern kantoorgebouw van 4 verdiepingen met verlichting op de begane grond en een kleine sonderafschietraket voor het gebouw

      Leiden

      Niels Bohrweg 4
      2333 CA Leiden
      The Netherlands
      +31 (0)88 777 56 00

      een nieuw en modern gebouw van vier verdiepingen in lichtgrijze kleur met mensen die ervoor lopen

      Groningen

      Landleven 12
      9747 AD Groningen
      The Netherlands
      +31 (0)50 363 40 74

      • Onderzoeksvragen
      • Pijlers
        • Wetenschap
        • Technologie
        • Instrumentatie
        • Onze mensen
        • Impact
      • Missies
      • Over ons
      • Actueel
      • Contact
      • Nieuwsbrief
      SRON on bluesky SRON on Instagram SRON on LinkedIn

      Niels Bohrweg 4
      2333 CA Leiden
      The Netherlands
      +31 (0)88 777 56 00

      Landleven 12
      9747 AD Groningen
      The Netherlands
      +31 (0)50 363 40 74

      NWO-I

      SRON is onderdeel van de institutenorganisatie van NWO-I

      • Privacy policy
      Logo van SRON Space Research Organisation Netherlands

      What happens up there, starts down here.

      Beheer toestemming
      Om de beste ervaringen te bieden, gebruiken wij technologieën zoals cookies om informatie over je apparaat op te slaan en/of te raadplegen. Door in te stemmen met deze technologieën kunnen wij gegevens zoals surfgedrag of unieke ID's op deze site verwerken. Als je geen toestemming geeft of uw toestemming intrekt, kan dit een nadelige invloed hebben op bepaalde functies en mogelijkheden.
      Functioneel Altijd actief
      De technische opslag of toegang is strikt noodzakelijk voor het legitieme doel het gebruik mogelijk te maken van een specifieke dienst waarom de abonnee of gebruiker uitdrukkelijk heeft gevraagd, of met als enig doel de uitvoering van de transmissie van een communicatie over een elektronisch communicatienetwerk.
      Voorkeuren
      De technische opslag of toegang is noodzakelijk voor het legitieme doel voorkeuren op te slaan die niet door de abonnee of gebruiker zijn aangevraagd.
      Statistieken
      De technische opslag of toegang die uitsluitend voor statistische doeleinden wordt gebruikt. De technische opslag of toegang die uitsluitend wordt gebruikt voor anonieme statistische doeleinden. Zonder dagvaarding, vrijwillige naleving door je Internet Service Provider, of aanvullende gegevens van een derde partij, kan informatie die alleen voor dit doel wordt opgeslagen of opgehaald gewoonlijk niet worden gebruikt om je te identificeren.
      Marketing
      De technische opslag of toegang is nodig om gebruikersprofielen op te stellen voor het verzenden van reclame, of om de gebruiker op een site of over verschillende sites te volgen voor soortgelijke marketingdoeleinden.
      • Beheer opties
      • Beheer diensten
      • Beheer {vendor_count} leveranciers
      • Lees meer over deze doeleinden
      Bekijk voorkeuren
      • {title}
      • {title}
      • {title}