[論文レビュー] Fragmentation, rotation and outflows in the high-mass star-forming region IRAS 23033+5951. A case study of the IRAM NOEMA large program CORE

F. Bosco, H. Beuther+24 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 93被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、高分解能NOEMAおよびIRAM 30 m観測を用いて、高質量星形成領域IRAS 23033+5951を分析し、断片化、回転、および噴流の性質を調査した。階層的なコア断片化が確認され、3つの明確な進化段階を示す：静止状態のコア（MMS2a）、回転円盤を有する原始星（MMS1b）で、ケプラー的回転と細長い噴流を示し、非常に進化したコア（MMS1a）では広がりのある開口角の噴流とcm放射を示しており、複数の高質量原始星の存在を示唆する。この結果は、高質量星形成における円盤駆動型降着および噴流進化を支持する。

ABSTRACT

The formation process of high-mass stars (>8M$_\odot$) is poorly constrained, particularly, the effects of clump fragmentation creating multiple systems and the mechanism of mass accretion onto the cores. We study the fragmentation of dense gas clumps, and trace the circumstellar rotation and outflows by analyzing observations of the high-mass (~500M$_\odot$) star-forming region IRAS 23033+5951. Using the Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in three configurations and the IRAM 30-m single-dish telescope at 220GHz, we probe the gas and dust emission at an angular resolution of ~0.45arcsec, corresponding to 1900au. In the mm continuum emission, we identify a protostellar cluster with at least four mm-sources, where three of them show a significantly higher peak intensity well above a signal-to-noise ratio of 100. Hierarchical fragmentation from large to small spatial scales is discussed. Two fragments are embedded in rotating structures and drive molecular outflows, traced by $^{13}$CO (2-1) emission. The velocity profiles across two of the cores are similar to Keplerian but are missing the highest velocity components close to the center of rotation, which is a common phenomena from observations like these, and other rotation scenarios are not excluded entirely. Position-velocity diagrams suggest protostellar masses of ~6 and 19M$_\sun$. Rotational temperatures from fitting CH$_3$CN ($12_K-11_K$) spectra are used for estimating the gas temperature and by that the disk stability against gravitational fragmentation, utilizing Toomre's $Q$ parameter. [We] identify only one candidate disk to be unstable against gravitational instability caused by axisymmetric perturbations. The dominant sources cover different evolutionary stages within the same maternal gas clump. The appearance of rotation and outflows of the cores are similar to those found in low-mass star-forming regions.

研究の動機と目的

• 高質量クラスターの詳細なマルチスケール運動論的および形態的解析を通じて、高質量星の形成メカニズムを解明すること。
• 分子線および連続スペクトルデータを用いて、IRAS 23033+5951領域に埋め込まれた原始星の進化段階を特定すること。
• 円盤降着および原始星進化の指標としての回転構造および噴流の存在を調査すること。
• サブアーカ秒解像度でのトゥール・Qパラメータマップを用いて、仮想的な円盤の安定性を評価すること。

提案手法

• IRAM NOEMA干渉計を用いて、A、B、D配置で1.37 mmのダスト連続スペクトルおよび分子線観測を実施した。
• IRAM 30 m単一電波望遠鏡からの短基線fluxを組み合わせることで、拡張した放射を回復し、ダイナミックレンジを向上させた。
• xclassを用いてメチルシアン化物（12K–11K）線の放射線輸送モデルを実行し、画素単位の回転温度マップを導出した。
• 回転温度マップからトゥール・Qパラメータを計算し、仮想的な円盤の重力的安定性を評価した。
• 位置-速度（PV）図の分析により、降着円盤を示すケプラー的回転プロファイルを特定した。
• 13CO（2–1）やH2CO（30,3–20,2）などの分子線遷移を用いて、クラスター内の噴流および回転運動をトレースした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量非原始星クラスターであるIRAS 23033+5951における断片化の度合いと階層的性質は何か？
• RQ2 最も質量の大きなコアの周囲に、降着円盤を示す回転構造が存在するか。また、それらは重力的に安定しているか？
• RQ3 同じクラスター内で、原始星の異なる段階における噴流の形態とコリメーションの進化はどのように変化するか？
• RQ4 MMS1a領域に複数の高質量原始星が存在する証拠は何か？
• RQ5 コアの運動論的および熱的性質は、その進化段階とどのように相関しているか？

主な発見

• 1.37 mmダスト連続スペクトルからは、少なくとも4つのmm源が検出され、低質量コア（MMS1c、1.2 M☉）と3つのより質量の大きな原始星コアへの階層的断片化が示された。
• コアMMS2a（11.4 M☉）は、回転や噴流の兆候を示さず、低励起状態（T < 70 K）の線しか検出されていないことから、最も初期の進化段階にあると推定される。
• コアMMS1b（10.0 M☉）は、化学的に豊富な放射を示し、PV図でケプラー的回転を示し、13COおよびSOで細長い噴流を示しており、トゥール安定な円盤であると示唆された。
• コアMMS1a（23.5 M☉）は、広がりのある開口角の噴流とcm放射を示しており、1つ以上の高質量原始星（HMPO）の存在を示唆する。内側2000 auでは円盤がトゥール不安定であると判明した。
• 空間分解能（約0.45 arcsec ≈ 1900 au）の制限により、高質量星の多重性に関連するスケールでの断片化の検出が困難であった。
• 結果は、低質量星と同様のスケールで、高質量星形成における円盤駆動型降着および噴流進化を支持するものである。