[論文レビュー] Fragmentation and disk formation during high-mass star formation: The IRAM NOEMA (Northern Extended Millimeter Array) large program CORE

H. Beuther, J. C. Mottram+31 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 95被引用数 35

ひとこと要約

本論文は、IRAM NOEMAを用いて20の高質量星形成領域を対象に、約0.4″分解能（1000 AU）で大規模なCOREプログラムを実施し、破片化および惑星系形成のプロセスを調査した。熱的重力破片化が乱流よりも支配的であり、破片化様式の多様性は初期密度構造と磁場強度によって説明できることが判明した。

ABSTRACT

Aims: We aim to understand the fragmentation as well as the disk formation, outflow generation and chemical processes during high-mass star formation on spatial scales of individual cores. Methods: Using the IRAM Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in combination with the 30m telescope, we have observed in the IRAM large program CORE the 1.37mm continuum and spectral line emission at high angular resolution (~0.4'') for a sample of 20 well-known high-mass star-forming regions with distances below 5.5kpc and luminosities larger than 10^4Lsun. Results: We present the overall survey scope, the selected sample, the observational setup and the main goals of CORE. Scientifically, we concentrate on the mm continuum emission on scales on the order of 1000AU. We detect strong mm continuum emission from all regions, mostly due to the emission from cold dust. The fragmentation properties of the sample are diverse. We see extremes where some regions are dominated by a single high-mass core whereas others fragment into as many as 20 cores. A minimum-spanning-tree analysis finds fragmentation at scales on the order of the thermal Jeans length or smaller suggesting that turbulent fragmentation is less important than thermal gravitational fragmentation. The diversity of highly fragmented versus singular regions can be explained by varying initial density structures and/or different initial magnetic field strengths. Conclusions: The smallest observed separations between cores are found around the angular resolution limit which indicates that further fragmentation likely takes place on even smaller spatial scales. The CORE project with its numerous spectral line detections will address a diverse set of important physical and chemical questions in the field of high-mass star formation.

研究の動機と目的

• 統計的に有意な20領域のサンプルを対象に、初期の高質量星形成における破片化プロセスを調査すること。
• 高分解能干渉観測データを用いて、核形成を引き起こす物理的メカニズム（熱的 vs. 乱流的破片化）を特定すること。
• 初期条件（磁場や密度分布を含む）が破片化様式の多様性に与える影響を評価すること。
• 高質量プロト星環境における惑星系形成、噴出流、化学反応を特徴付けること。
• 将来の多波長分析を目的として、高分解能の連続スペクトルおよびラインデータセットを整備すること。

提案手法

• IRAM NOEMA干渉計および30 m電波望遠鏡を用いて、0.3–0.4″の高分解能（1.37 mm）連続スペクトルおよびライン観測を実施した。
• 最小全域木構造法（minimum-spanning-tree）を用いて核間の最近接距離を定量的に評価し、熱的ジェイムズ長さの推定値と比較した。
• 1000 AUスケールでの冷たい高密度ガスクラスターや核構造の tracer として、ほこり連続スペクトル発光を用いた。
• 理論的モデルによる熱的重力収縮を用いて初期条件を評価し、破片化パターンと照合した。
• 5.5 kpc以内にあり、放射能が10⁴ L⊙を超える20の高質量星形成領域のデータを統合し、統計的信頼性を確保した。
• 南半球の対象に対してALMAを用いたフォローアップ観測を計画し、空間的・物理的カバー範囲を拡大した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量星形成領域における核分離を支配するのは、熱的重力破片化か、乱流か？
• RQ2 初期密度構造と磁場強度が観測された破片化様式の多様性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 分解能制限（約0.4″）を考慮すると、観測された核間隔は真の物理的破片化スケールをどれだけ反映しているか？
• RQ4 単一核から20個の破片に至る多様な破片化様式は、進化段階の違いではなく、初期条件のばらつきによって説明可能か？
• RQ5 W3(H2O) や NGC7538IRS1 のような高磁場領域が示唆するように、磁場が破片化を抑制する役割を果たすのか？

主な発見

• 観測された20の高質量星形成領域すべてで、冷たいほこりからの強い1.37 mm連続スペクトル発光が確認された。
• 破片化様式には広範な多様性が認められ、一部の領域では単一の高質量核が存在するが、他の領域では最大20個の明確な核に分離している。
• 最近接核間隔は、熱的ジェイムズ長さ以下にピークを示しており、熱的重力破片化が支配的メカニズムであることを示している。
• 観測された核間隔を説明するために乱流寄与をジェイムズ解析に含める必要はなく、熱的プロセスのみで十分であると考えられる。
• 破片化様式の多様性は、サンプル全体で初期密度構造と/または初期磁場強度の違いに起因している可能性が強い。
• 核間隔は分解能限界（約0.4″）に近づいているため、今後さらに小さいスケールでの破片化が実際に発生している可能性がある。