[論文レビュー] Dynamics of cluster-forming hub-filament systems: The case of the high-mass star-forming complex Monoceros R2

S. P. Treviño-Morales, A. Fuente+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

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ひとこと要約

本研究は、近隣の高質量星形成領域であるモノケラスR2のハブ・フィラメント系の動的進化を、IRAM-30m望遠鏡の13COおよびC18O線データとHerschelのチリュウ密度マップを用いて調査した。主なフィラメントは、非熱的運動を含めた場合、熱的超臨界および臨界状態にあり、ハブへの質量供給率は10⁻⁴–10⁻³ M☉ yr⁻¹である。中央ハブには、降着と回転運動に一致するらせん状の回転構造が確認され、質量倍加時間スケールが約2.5 Myrである動的進化済み系であることが示された。

ABSTRACT

High-mass stars and star clusters commonly form within hub-filament systems. Monoceros R2, harbors one of the closest such systems, making it an excellent target for case studies. We investigate the morphology, stability and dynamical properties of the hub-filament system on basis of 13CO and C18O observations obtained with the IRAM-30m telescope and H2 column density maps derived from Herschel dust emission observations. We identified the filamentary network and characterized the individual filaments as either main (converging into the hub) or secondary (converging to a main filament) filaments. The main filaments have line masses of 30-100 Msun/pc and show signs of fragmentation. The secondary filaments have line masses of 12-60 Msun/pc and show fragmentation only sporadically. In the context of Ostriker's hydrostatic filament model, the main filaments are thermally super-critical. If non-thermal motions are included, most of them are trans-critical. Most of the secondary filaments are roughly trans-critical regardless of whether non-thermal motions are included or not. From the main filaments, we estimate a mass accretion rate of 10(-4)-10(-3) Msun/pc into the hub. The secondary filaments accrete into the main filaments with a rate of 0.1-0.4x10(-4) Msun/pc. The main filaments extend into the hub. Their velocity gradients increase towards the hub, suggesting acceleration of the gas. We estimate that with the observed infall velocity, the mass-doubling time of the hub is ~2.5 Myr, ten times larger than the free-fall time, suggesting a dynamically old region. These timescales are comparable with the chemical age of the HII region. Inside the hub, the main filaments show a ring- or a spiral-like morphology that exhibits rotation and infall motions. One possible explanation for the morphology is that gas is falling into the central cluster following a spiral-like pattern.

研究の動機と目的

• 近隣の高質量星形成複合体であるモノケラスR2ハブ・フィラメント系の形状的・動的・安定性的性質を理解すること。
• 観測された運動学的データを用いて、主なフィラメントおよび二次フィラメントの線密度と臨界性（熱的および非熱的）を特定すること。
• 二次フィラメントから主なフィラメントへの、および主なフィラメントから中央ハブへの質量供給率を推定すること。
• 特に回転運動と降着運動の存在を含め、中央ハブの運動学的および形状的構造を調査すること。
• 自由落下時間とH II領域の化学的年齢と比較することで、ハブの動的年齢を評価すること。

提案手法

• HerschelのH₂質量密度マップにDisPerSEアルゴリズムを適用し、モノケラスR2におけるフィラメントネットワークを同定および特徴づけた。
• IRAM-30m望遠鏡の13COおよびC18O (1→0) および (2→1) 線放出データを用いて、フィラメントに沿ったドップラー速度、線幅、光学厚さのプロファイルを導出した。
• Ostrikerの静的フィラメントモデルを用い、熱的および非熱的速度分散を含めた両方の状態を考慮して、フィラメントの線密度と臨界性を計算した。
• 速度勾配と質量密度構造を用いて、ハブおよびフィラメントに沿った質量供給率を推定した。
• 中央ハブの形状をらせん状または輪状構造としてモデル化し、位置-速度図および速度勾配を用いてその運動学的性質を評価した。
• 観測された降着速度と全質量を比較することで、ハブの質量倍加時間スケールを計算し、自由落下時間と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノケラスR2ハブ・フィラメント系における主なフィラメントおよび二次フィラメントの形状的・動的性質は何か？
• RQ2 熱的および非熱的運動がフィラメントの臨界性に与える影響は何か？また、重力的に不安定であるとされるか？
• RQ3 二次フィラメントから主なフィラメントへの、および主なフィラメントから中央ハブへの質量供給率は何か？
• RQ4 中央ハブに観測される運動学的特徴（例：回転、降着）は何か？それらはハブの動的状態に何を示唆するか？
• RQ5 観測されたハブの質量倍加時間スケールは、自由落下時間およびH II領域の化学的年齢と比較してどうか？

主な発見

• モノケラスR2の主なフィラメントは線密度が30–100 M☉ pc⁻¹であり、熱的状態では超臨界である。非熱的運動を含めた場合、臨界状態に達する。
• 二次フィラメントの線密度は12–60 M☉ pc⁻¹であり、非熱的運動を考慮しても概ね臨界状態に近い。
• 中央ハブへの質量供給率は10⁻⁴–10⁻³ M☉ yr⁻¹と推定され、そのうち二次フィラメントからの寄与は0.1–0.4 × 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹である。
• 主なフィラメントにおける速度勾配はハブに近づくにつれて増加しており、ガスの加速が確認され、降着運動に一致する。
• 中央ハブは輪状またはらせん状の形状を示し、それに加えて回転運動と降着運動が重畳しており、ガスがクラスターへらせん状に流入していることを示唆する。
• ハブの質量倍加時間スケールは約2.5 Myrであり、自由落下時間の10倍以上にのぼり、動的年齢が古く、H II領域の化学的年齢とも整合する動的進化済み系であることが示された。