[論文レビュー] PROSAC: A Submillimeter Array survey of low-mass protostars. II. The mass evolution of envelopes, disks, and stars from the Class 0 through I stages

J. K. Jørgensen, E. F. van Dishoeck+6 more|Max Planck Digital Library|Sep 18, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 90被引用数 136

ひとこと要約

本研究では、20個の低質量クラス0およびクラスIのプロト星に対する高分解能のサブミリメートル望遠鏡（SMA）連続放射およびHCO⁺ 3–2線観測を用い、ダスト放射移動モデルによる包み込み、ディスク、星の質量を分離して評価した。その結果、ディスクは初期に形成され、急速に質量を蓄積し、クラス0からクラスIの段階にかけても質量が安定していることが判明した。一方、クラスIの源では星の質量が全系質量の70–98％に達しており、ディスク対星の質量比を過大に予測するモデルに反する結果となった。

ABSTRACT

The key question about early protostellar evolution is how matter is accreted from the large-scale molecular cloud, through the circumstellar disk onto the central star. A sample of 20 Class 0 and I protostars has been observed in continuum at (sub)millimeter wavelengths at high angular resolution with the Submillimeter Array. Using detailed dust radiative transfer models, we have developed a framework for disentangling the continuum emission from the envelopes and disks, and from that estimated their masses. For the Class I sources in the sample, HCO+ 3-2 line emission has furthermore been observed with the Submillimeter Array. Four of these sources show signs of Keplerian rotation, constraining the masses of the central stars. Both Class 0 and I protostars are surrounded by disks with typical masses of about 0.05 M_sun. No evidence is found for a correlation between the disk mass and evolutionary stage of the young stellar objects. This contrasts the envelope mass, which decreases sharply from 1 M_sun in the Class 0 stage to <0.1 M_sun in the Class I stage. Typically, the disks have masses that are 1-10% of the corresponding envelope masses in the Class 0 stage and 20-60% in the Class I stage. For the Class I sources for which Keplerian rotation is seen, the central stars contain 70-98% of the total mass in the star-disk-envelope system, confirming that these objects are late in their evolution through the embedded protostellar stages. Theoretical models tend to overestimate the disk masses relative to the stellar masses in the late Class I stage. The results argue in favor of a picture in which circumstellar disks are formed early during the protostellar evolution and rapidly process material accreted from the larger scale envelope onto the central star.

研究の動機と目的

• 低質量プロト星のクラス0からクラスIの進化段階にわたり、包み込み、ディスク、中心星の質量を制約すること。
• 星-ディスク-包み込み系における質量分布を直接測定することで、理論的プロト星進化モデルを検証すること。
• クラス0からクラスIの段階にかけてディスク質量が顕著に変化するか、またディスクの力学的性質が安定した回転支持構造を示すかを調査すること。
• クラスI源の一部においてHCO⁺ 3–2線プロファイルのケプラー回転を用いて中心星の質量を特定すること。
• 現在の理論的モデルが、ディスク・星・包み込みの間の観測された質量比を再現できるかを評価すること。

提案手法

• Subミリメートルアレイ（SMA）を用い、20個のクラス0およびクラスIのプロト星に対して通常2″程度の高分解能（準）ミリ波長連続放射観測を実施した。
• 干渉計の連続放射放出を、包み込みとディスクからの寄与に分解するために詳細なダスト放射移動モデルを適用した。
• フラックス校正および空間的ダイナミックレンジの向上のため、SMAデータに単一望遠鏡連続放射観測を組み合わせた。
• クラスI源におけるHCO⁺ 3–2線放出を用い、ケプラー回転を特定することで、中心星の動的質量推定を実施した。
• ケプラー回転を示す源に対して、回転曲線から星質量を導出し、全系質量と比較した。
• 観測された質量分布を、ディスク形成と包み込み降着を含むプロト星進化理論モデル（Visser et al., 2009）と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クラス0からクラスIの段階にかけて、ディスク質量は顕著に変化するのか、それとも初期に決定づけられるのか？
• RQ2 クラスI段階に達するまでに、初期コア質量の何パーセントが中心星に降着されたのか？
• RQ3 クラスI源における中心星質量は、プロト星進化の理論的モデルと整合しているか？
• RQ4 ディスク形成と成長を含むモデルが予測するディスク質量および星質量と、観測結果がどの程度一致するか？
• RQ5 高密度ガス線におけるケプラー回転を用いて、深く埋もれたプロト星の中心星質量を信頼性高く測定できるか？

主な発見

• クラス0およびクラスIの両源における原始惑星系円盤の質量は通常約0.05 M☉であり、クラス0からクラスIの段階にかけて顕著な増加は認められなかった。
• 包み込み質量はクラス0源では約1 M☉から、クラスI源では0.1 M☉未塔に急激に減少しており、包み込みの急速な消失を示している。
• クラス0源ではディスク質量は包み込み質量の1–10％、クラスI源では20–60％を占めており、時間とともにディスクの優位性が高まっていることが示された。
• ケプラー回転を示した4つのクラスI源において、中心星質量は0.3–2.5 M☉であり、全系質量の70–98％を占めており、晩期段階の進化を示している。
• 理論的モデルは、クラスIの晩期段階においてディスク質量を星質量に対して過大に予測しており、モデルの見直しが必要であることを示唆している。
• 結果は、ディスクが初期に形成され、包み込みから物質を急速に蓄積するというシナリオを支持しており、周期的降着と光度の矛盾の解決に合致している。