[論文レビュー] From Pre-Stellar Cores to Protostars: The Initial Conditions of Star Formation

P. André, D. Ward–Thompson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 48被引用数 47

ひとこと要約

この論文は、低質量星形成の初期条件における観測的進展をレビューし、非可縮性等温球体ではなく平坦な内側密度プロファイルを持つプレ星核が存在することを示しており、急速で時間に依存する降着を伴う力学的崩壊段階を示唆している。主な結果として、クラス0のプロト星は高い降着率と強力な流れ出しを示しており、初期質量関数（IMF）が集団的環境におけるプレ星核段階で形作られている可能性を示している。

ABSTRACT

The last decade has witnessed significant advances in our observational understanding of the earliest stages of low-mass star formation. The advent of sensitive receivers on large radio telescopes such as the JCMT and IRAM 30m MRT has led to the identification of young protostars at the beginning of the main accretion phase (`Class 0' objects), and has made it possible to probe, for the first time, the inner density structure of pre-collapse cores. Class 0 objects are characterized by strong, centrally-condensed dust continuum emission at submillimeter wavelengths, very little emission shortward of 10 microns, and powerful jet-like outflows. Direct evidence for gravitational infall has been observed toward several of them. They are interpreted as accreting protostars which have not yet accumulated the majority of their final stellar mass. In contrast to protostars, pre-stellar cores have flat inner density profiles, suggesting the initial conditions for fast protostellar collapse depart sometimes significantly from a singular isothermal sphere. In the case of non-singular initial conditions, the beginning of protostellar evolution is expected to feature a brief phase of vigorous accretion/ejection which may coincide with Class 0 objects. In addition, submillimeter continuum imaging surveys of regions of multiple star formation such as Ophiuchus and Serpens suggest a picture according to which each star in an embedded cluster is built from a finite reservoir of mass and the associated IMF is primarily determined at the pre-stellar stage of evolution.

研究の動機と目的

• プレ星核およびプロト星の準ミリ波長連続スペクトル観測を用いて、低質量星形成の初期条件を評価すること。
• プロト星の崩壊が可縮性等温球体からではなく、非可縮的で平坦な密度を持つ核から始まるかどうかを特定すること。
• 埋め込まれた集団における初期質量関数（IMF）を形作る過程で、降着および流れ出し活動が果たす役割を調査すること。
• 核の構造が降着率およびプレ星核からプロト星への遷移に与える影響を評価すること。

提案手法

• JCMT、IRAM 30m MRTなどの大型地上望遠鏡を用いた感度の高い準ミリ波長連続スペクトル観測を活用し、プレ星核およびクラス0プロト星の内側密度構造を調べた。
• 準ミリ波長域でのダスト連続スペクトルの解析により、プレ星核の半径方向密度プロファイルを推定し、r⁻²可縮性プロファイルとは著しく異なる平坦な内側勾配が得られた。
• クラス0とクラスIプロト星の流れ出し特性および降着輝度を比較し、時間に依存する降着率を推定した。
• 数値シミュレーションおよび理論的枠組み（例：Shu et al. 1987, Larson 1969）を用いてプロト星の進化をモデル化し、可縮性等温球体仮定と観測された非可縮的初期条件を対比した。
• アンビポーラ拡散、乱流の散逸、外部からの駆動力がプレ星凝縮の形成に果たす役割を評価した。
• オphiuchusおよびSerpens領域からの観測制約を統合し、1プロト星あたりの利用可能な質量貯留量とそのIMFへの影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プレ星核の半径方向密度構造は何か？ また、可縮性等温球体モデルとはどの程度異なるか？
• RQ2 クラス0からクラスIプロト星にかけて、降着率および流れ出し活動はどのように変化するのか？ これはプロト星進化にどのような意味を持つのか？
• RQ3 プロト星の崩壊の初期条件が、プレ星核の構造によってどの程度決定されるのか？
• RQ4 アンビポーラ拡散、乱流の散逸などの物理的メカニズムが、集団的領域における星の初期質量関数（IMF）に与える影響は何か？
• RQ5 IMFは主にプレ星核段階で決定づけられるのか、それとも後の降着およびフィードバック過程に依存するのか？

主な発見

• プレ星核は平坦な内側密度プロファイルを示しており、可縮性のない初期条件が顕著に可縮性等温球体モデルとは異なることを示している。
• クラス0プロト星は、強い中心集中型準ミリ波長放射を示し、10 μm未満ではほとんど放射が見られず、強力な双極的流れ出しを示しており、活発な降着および降下が進行していることを示している。
• 降着率 $\dot{M}_{\text{acc}}$ は、クラス0からクラスI段階にかけて5〜10倍減少しており、一定の降着率ではなく時間に依存する降着が行われていることを示唆している。
• 観測された $\dot{M}_{\text{acc}}$ の低下は、非可縮的初期密度プロファイルと整合的であり、崩壊の初期段階で短時間にわたる活発な降着／噴出段階が存在することを示唆している。
• OphiuchusやSerpensのような領域では、埋め込まれた集団内の1つの星が有限で境界のある質量貯留量から形成されており、IMFが主にプレ星核段階で決定づけられているという状況を支持している。
• 観測された有限サイズでスケールフリーでない核（通常は半径約1000 AU）は、理想化された可縮球体ではなく、ボンナー＝エーベル雲塊に類似した、密度が有限で局所的な塊としてのプロト星の崩壊が進行していることを示唆している。