[論文レビュー] Infall and outflow within 400 AU from a high-mass protostar. 3-D velocity fields from methanol and water masers in AFLG 5142

C. Goddi, L. Moscadelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 20被引用数 45

ひとこと要約

本研究では、高質量包周原始星AFGL 5142のMM–1核におけるメタノールおよび水メーザーの複数エポックVLBI観測を用いて、高質量原始星の周囲エンベロープにおける降下運動の最初の直接的3次元速度場測定が行われた。300 AUの半径のエンベロープが5 km s⁻¹で降下しており、降下率は6×10⁻⁴ n₈ M☉ yr⁻¹であると判明した。一方、水メーザーは収束した双極的噴流をトレースしており、高質量星形成における400 AU未満スケールで同時に発生する降下と噴流の直接的証拠が得られた。

ABSTRACT

Observational signatures of infalling envelopes and outflowing material in early stages of protostellar evolution, and at small radii from the protostar, are essential to progress in the understanding of the mass-accretion process in star formation. In this letter, we report a detailed study of the accretion and outflow structure around a protostar in the well-known high-mass star-forming region AFGL 5142. We focus on the mm source MM-1, which exhibits hot-core chemistry, radio continuum emission, and strong water and methanol masers. Remarkably, our Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations of molecular masers over six years provided us with the 3-D velocity field of circumstellar molecular gas with a resolution of 0.001-0.005 arcseconds and at radii <0.23 arcseconds (or 400 AU) from the protostar. In particular, our measurements of methanol maser emission enabled, for the first time, a direct measurement of infall of a molecular envelope (radius of 300 AU and velocity of 5 km/s) onto an intermediate- to high-mass protostar. We estimate an infall rate of 0.0006 n_8 Msun/year, where n_8 is the ambient volume density in units of 10^8 cm-3 (required for maser excitation). In addition, our measurements of water maser (and radio continuum) emission identify a collimated bipolar molecular outflow (and ionized jet) from MM-1. The evidence of simultaneous accretion and outflow at small spatial scales, makes AFGL 5142 an extremely compelling target for high-angular resolution studies of high-mass star formation.

研究の動機と目的

• 高質量原始星の直近の領域における降下運動を直接測定すること、ここでは降下プロセスが支配的になると予想される。
• 400 AU未満のスケールで包周ガスの運動を解明し、降下と噴流に関する理論的モデルが最も厳しく検証される。
• 降下と噴流が小さな半径で共存するかどうかを特定し、それらの率と空間的構造を定量化すること。
• メーザーの運動を用いて、磁場と角運動量保存が内側エンベロープの力学に与える影響を評価すること。

提案手法

• 6.669 GHz CH₃OHメーザーおよび22.235 GHz H₂Oメーザーの複数エポック超長基線干渉計測定を用いて、ミリアーセコンド未満の解像度で3次元速度場を測定する。
• メーザー放射を運動論的トレーサーとして用い、ガス密度が類似する場所をトレースすると仮定して、包周ガスの3次元速度構造を再構成する。
• 球対称降下モデルを用いてメーザーの位置と径方向速度をモデリングし、降下率とエンベロープ質量を導出する。
• VLAの電波連続スペクトルとメーザー速度を比較して、イオン化ジェットおよび噴流構造を特定する。
• メーザー励起に必要なガス密度の仮定に基づき、導出された速度場を用いて降下質量率および質量損失率を推定する。
• メーザーの位置決めをダスト連続スペクトルおよび分子ラインデータと一致させ、中心原始星の位置とエンベロープの幾何学的形状を制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 400 AU未満の半径で、高質量原始星の内側エンベロープにおける降下運動を直接測定できるか？
• RQ2 原始星の直近の包周ガスの3次元速度構造は何か？ そして、同時に降下と噴流の兆候が見られるか？
• RQ3 内側エンベロープにおける降下率と質量損失率は何か？ それらはどのように比較されるか？
• RQ4 メーザーの運動論的特徴に基づいて、内側領域に回転するディスクの証拠があるか？
• RQ5 磁場および角運動量保存が観測された力学にどのように影響しているか？

主な発見

• 6.669 GHz CH₃OHメーザーを用いて、中〜高質量原始星への300 AU半径の包周エンベロープの降下運動を初めて直接測定した。
• 推定された降下率は6×10⁻⁴ n₈ M☉ yr⁻¹であり、n₈はメーザー励起に必要な環境体積密度（単位：10⁸ cm⁻³）を表す。
• 水メーザーは収束した双極的噴流をトレースしており、電波連続スペクトルからの情報からイオン化ジェットが確認され、活発な噴流活動が裏付けられた。
• 噴流と降下の両方の率が、同程度のガス密度の下で整合的であるため、質量損失／降下率比は密度の不確実性にあまり依存しないことが示唆された。
• 降下エンベロープ内の全ガス質量は4 M☉と推定され、3 M☉のダスト連続スペクトル測定値と整合的であった。
• メーザーの運動論的特徴から、300 AU未満の半径に回転するコンパクトなディスクの可能性が示唆されたが、300 AUでは降下が速度場を支配しており、干渉計測定データは噴流軸に沿った600 AUスケールの伸びた構造を支持している。