[論文レビュー] Probing the initial conditions of high-mass star formation. II. Fragmentation, stability, and chemistry

T. Pillai, Jens Kauffmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 65

ひとこと要約

本研究では、高分解能干渉観測を用いてNH2D、NH3、およびダスト連続スペクトルをG29.96−0.02およびG35.20−1.74の2つの高質量準プロトクラスタ領域で観測し、冷たく密度の高いガスを調査した。その結果、コアは冷たく（<20 K）、非常に重水素化されており（[NH2D/NH3] > 6%）、準virial状態であることが判明した。これは重力収縮が近い将来に発生する可能性を示唆している。これらの発見は単一のクラウド収縮モデルに反し、質量貯蔵が個々のコアをはるかに超えて広がる競合的降着シナリオを支持する。

ABSTRACT

We present a new high-resolution study of pre-protocluster regions in tracers exclusively probing the coldest and dense gas (NH_2D). The data are used to constrain the chemical, thermal, kinematic, and physical conditions (i.e., densities) in G29.96e and G35.20w. NH_3, NH_2D, and continuum emission were mapped using the VLA, and PdBI. In particular, NH_2D is a unique tracer of cold, precluster gas at high densities, while NH_3 traces both the cold and warm gas of modest-to-high densities. In G29.96e, Spitzer images reveal two massive filaments, one of them in extinction (infrared dark cloud). We observe very low line widths in NH_3 (FWHM &lt;1km/s). These multi-wavelength, high-resolution observations of high-mass pre-protocluster regions show that the target regions are characterized by (i) turbulent Jeans fragmentation of massive clumps into cores (from a Jeans analysis); (ii) cores and clumps that are "over-bound/subvirial", i.e. turbulence is too weak to support them against collapse, meaning that (iii) some models of monolithic cloud collapse are quantitatively inconsistent with data; (iv) accretion from the core onto a massive star, which can (for observed core sizes and velocities) be sustained by accretion of envelope material onto the core, suggesting that (similar to competitive accretion scenarios) the mass reservoir for star formation is not necessarily limited to the natal core; (v) high deuteration ratios ([NH_2D/NH_3]&gt;6%), which make the above discoveries possible; (vi) and the destruction of NH_2D toward embedded stars. [abridged]

研究の動機と目的

• 大質量星形成の初期条件を、活発な大質量星形成が開始する前の中性ガスを対象として調査すること。
• これらの領域で観測された分岐、運動学、および化学的性質が、大質量星形成理論的モデルと整合しているかどうかを特定すること。
• 乱流、密度、および重水素化度の観測的制約をもとに、単一クラウド収縮モデルの妥当性を検証すること。
• 大質量星の質量貯蔵が母コアに限定されているのか、それとも競合的降着モデルが示唆するように周囲のエンvelopeまで広がっているのかを評価すること。

提案手法

• PdBIおよびVLAを用いた、NH2D、NH3、およびダスト連続スペクトルの高空間分解能干渉観測を、サブアーキ秒解像度で実施した。
• Spitzerの8および24 μm画像を用いて、赤外暗黒雲（IRDC）を特定し、埋め込まれたプロト星活動を検出した。
• 重水素化比（[NH2D/NH3]）を測定することで、冷たく密度の高いガスを追跡し、準プロトクラスタ状態を特定した。
• ジェンス解析を適用し、分岐安定性を評価し、乱流による支持が収縮を防げるかどうかを判定した。
• NH2DおよびNH3のライン幅（FWHM）から乱流およびバーリアルパラメータを計算し、コア安定性を評価した。
• コアサイズ、速度、質量貯蔵を用いて降着 timescale を推定し、競合的降着の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高質量準プロトクラスタ領域における物理的・化学的状態（温度、密度、重水素化度）は何か？
• RQ2 大質量フィラメントにおける観測された分岐は、乱流ジェンス分岐と整合的か？
• RQ3 これらの領域におけるコアおよびクラスタはバーリアル状態か、それとも準virial状態か？ これは重力不安定性を示唆するか？
• RQ4 大質量星への降着は、コア質量をはるかに超えるエンvelope物質によってどれほど持続可能か？
• RQ5 NH2Dの破壊は、埋め込まれたプロト星の存在とどのように相関するか？

主な発見

• G29.96−0.02およびG35.20−1.74の2つの標的領域では、温度<20 K、密度>10^5 cm⁻³の冷たく密度の高いコアが存在し、静穏な準プロトクラスタ状態を示している。
• 高い重水素化比（[NH2D/NH3] > 6%）が測定され、冷たく静穏なガスの存在が確認され、準プロトクラスタ物質の正確な追跡が可能になった。
• NH2Dのライン幅は極めて狭く（FWHM ≤ 1 km s⁻¹）、低乱流および準virial運動を示し、コアが重力的に束縛されており、収縮の可能性が高いことを示している。
• コアおよびクラスタの構造は過剰に束縛されている（準virial状態）ため、乱流による支持は不十分であり、重力収縮に対して不十分である。これは単一収縮モデルと矛盾する。
• 1本のフィラメントあたり1つのコアのみが、マサーズ、アウトフラウ、24 μm放射を示し、活発な大質量星形成の兆候を示しているが、他のコアは冷たく静穏なままである。
• 大質量星への降着はエンvelope物質によって持続可能であり、質量貯蔵が個々のコアをはるかに超えて広がる競合的降着モデルを支持する。