[論文レビュー] Core fragmentation and Toomre stability analysis of W3(H2O): A case study of the IRAM NOEMA large program CORE

A. Ahmadi, H. Beuther+31 more|Kent Academic Repository (University of Kent)|Aug 1, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 21

ひとこと要約

本研究は、CORE調査の高分解能ALMAおよびIRAM 30m観測を用いて、高質量星形成領域W3(H2O)におけるコアの破壊と重力的安定性を調査する。2300 AUの距離で分離された2つの主要コアを特定し、ディスク様構造を示唆する差動回転を明らかにした。また、外側領域におけるToomre Q値は重力不安定性を示しており、大規模および小規模の両方の破壊を支持する。

ABSTRACT

The fragmentation mode of high-mass molecular clumps and the properties of the central rotating structures surrounding the most luminous objects have yet to be comprehensively characterised. Using the IRAM NOrthern Extended Millimeter Array (NOEMA) and the IRAM 30-m telescope, the CORE survey has obtained high-resolution observations of 20 well-known highly luminous star-forming regions in the 1.37 mm wavelength regime in both line and dust continuum emission. We present the spectral line setup of the CORE survey and a case study for W3(H2O). At ~0.35" (700 AU at 2 kpc) resolution, the W3(H2O) clump fragments into two cores (West and East), separated by ~2300 AU. Velocity shifts of a few km/s are observed in the dense-gas tracer, CH3CN, across both cores, consistent with rotation and perpendicular to the directions of two bipolar outflows, one emanating from each core. The kinematics of the rotating structure about W3(H2O) W shows signs of differential rotation of material, possibly in a disk-like object. The observed rotational signature around W3(H2O) E may be due to a disk-like object, an unresolved binary (or multiple) system, or a combination of both. We fit the emission of CH3CN (12-11) K = 4-6 and derive a gas temperature map with a median temperature of ~165 K across W3(H2O). We create a Toomre Q map to study the stability of the rotating structures against gravitational instability. The rotating structures appear to be Toomre unstable close to their outer boundaries, with a possibility of further fragmentation in the differentially-rotating core W3(H2O) W. Rapid cooling in the Toomre-unstable regions supports the fragmentation scenario. Combining millimeter dust continuum and spectral line data toward the famous high-mass star-forming region W3(H2O), we identify core fragmentation on large scales, and indications for possible disk fragmentation on smaller spatial scales.

研究の動機と目的

• IRAM NOEMA CORE大規模プログラムの主要対象である高質量クラスターW3(H2O)の破壊および運動学的性質を同定すること。
• Toomre基準を用いて中心コアの周囲の回転構造の重力的安定性を評価すること。
• 観測された速度勾配および発光構造がディスク様対象、連星系、またはさらなる破壊を示唆するかを特定すること。
• CH3CN線放出を用いて、高密度ガスの物理的状態（温度、総柱密度）を導出すること。
• 重力的破壊を可能にする急激な冷却の役割が、不安定領域でどのように機能するかを調査すること。

提案手法

• IRAM NOEMAアレイおよび30m電波望遠鏡を用いた1.37 mm帯の高分解能（0.35"または約700 AU）干渉計観測。
• xclassソフトウェアパッケージを用いてCH3CN (12K-11K) K=4–6およびCH3C13N (12K-11K) K=0–3遷移のスペクトル線解析。
• 線幅フィッティングからガス温度、柱密度、ピークドップラー速度、および速度分散マップの作成。
• 回転構造の局所的重力的安定性を評価するためのToomre Qパラメータの計算。
• 位置-速度（PV）図の解析により、回転および噴流の運動学的性質を推定。
• ダスト連続放出と線放出の比較により、コア質量および破壊スケールの特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W3(H2O)クラスターの700 AUスケールでの破壊パターンは何か？
• RQ2 2つのコアの周囲で観測された速度勾配は回転を示唆するか？もしそうならば、その背後にある回転構造の性質は何か？
• RQ3 W3(H2O) Wの周囲の回転構造はディスク様対象と整合するか、それとも連星系である可能性があるか？
• RQ4 Toomre Qパラメータで定量化された回転構造の重力的安定性はいかほどか？
• RQ5 Toomre不安定領域における急激な冷却は、さらなる破壊を促進するか？

主な発見

• W3(H2O)は、約700 AUの分解能で2300 AUの距離で分離された2つの明確なコア、WおよびEに破壊する。
• クラスターの全質量は約26.8 M☉であり、W3(H2O) Eには15.4 M☉、W3(H2O) Wには11.4 M☉が含まれる。
• 各コアの垂直方向に数km s⁻¹の速度勾配が観測され、双極的噴流に直交する。これはディスク様または連星系と整合する回転を示唆する。
• W3(H2O) Wの周囲の回転構造には差動回転の兆候が認められ、ディスク様対象または中心の（準）星を示唆する。
• Toomre Qマップは、両コアの外側領域で低値を示しており、重力的不安定性およびさらなる破壊の可能性を示している。
• Toomre不安定領域における急激な冷却は、特にQ値が低いWコアでは、未解像のダストピークと一致するため、さらなる破壊の可能性を高める。