[論文レビュー] Star cluster progenitors are dynamically decoupled from their parent molecular clouds

N. Peretto, A. J. Rigby+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2023

Spectroscopy and Laser ApplicationsChemistry被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、星団の前身である星形成領域（星団形成の前身となる、分子雲内に存在する高密度でパーセクスケールのクラスター）が、周囲環境から力学的に分離されており、周囲のガスとは異なり、より急な密度プロファイル（ρ ∝ r⁻²）と平坦な速度分散プロファイル（σ ∝ r⁰）を示すことを明らかにした。ヒェルシェル、GRS、IRAMの多波長データを用いて、これらのクラスターが自己重力的であり、全体的な重力収縮を undergoing していることが判明した。これは、星団形成が、それ以外は安定な分子雲内において、特異な力学的状態で進行していることを示している。

ABSTRACT

The formation of stellar clusters dictates the pace at which galaxies evolve, and solving the question of their formation will undoubtedly lead to a better understanding of the Universe as a whole. While it is well known that star clusters form within parsec-scale over-densities of interstellar molecular gas called clumps, it is, however, unclear whether these clumps represent the high-density tip of a continuous gaseous flow that gradually leads towards the formation of stars, or a transition within the gas physical properties. Here, we present a unique analysis of a sample of 27 infrared dark clouds embedded within 24 individual molecular clouds that combine a large set of observations, allowing us to compute the mass and velocity dispersion profiles of each, from the scale of tens of parsecs down to the scale of tenths of a parsec. These profiles reveal that the vast majority of the clouds, if not all, are consistent with being self-gravitating on all scales, and that the clumps, on parsec-scale, are often dynamically decoupled from their surrounding molecular clouds, exhibiting steeper density profiles ($ρ\propto r^{-2}$) and flat velocity dispersion profiles ($σ\propto r^0$), clearly departing from Larson's relations. These findings suggest that the formation of star clusters correspond to a transition regime within the properties of the self-gravitating molecular gas. We propose that this transition regime is one that corresponds to the gravitational collapse of parsec-scale clumps within otherwise stable molecular clouds.

研究の動機と目的

• 星団の前身クラスターの塊が、その親分子雲内でどのような力学的状態にあるかを特定すること。
• クラスターが分子雲内での連続的なガスの流れを表しているのか、それとも物理的性質の転換を示しているのかを調査すること。
• 分子雲内での低星形成効率が、ガスの性質における力学的転換に起因しているかどうかを評価すること。
• クラスターが重力的に束縛されており、母雲とは独立して収縮しているかどうかを検証すること。
• 全体的な雲構造と運動論的性質が、星形成効率をどのように制御しているかを明確にすること。

提案手法

• 24個の分子雲に跨る27個の赤外暗黒雲（IRDC）について、スケールが約0.2 pcから約30 pcにわたる質量および速度分散プロファイルを構築した。
• ヒェルシェルのH₂質量密度マップ、GRSの13CO(1-0)データキューブ、IRAMのN₂H⁺(1-0)データキューブを統合し、希薄ガスおよび高密度ガス成分の両方を調査した。
• 質量面密度（γ）および速度分散（β）の半径依存プロファイルに1次元のべき乗則モデルを適合させ、構造的および力学的性質を定量化した。
• 各雲内の異なる半径で重力的束縛性と安定性を評価するため、バーリング比を計算した。
• 空間分解スペクトルおよび質量密度等高線を用いて、プロファイル解析のための関心領域を定義した。
• 理論的期待値（ラーソンの法則および自己重力的モデル）と観測プロファイルを比較する統計的モデリングを適用した。

Figure 1: Images of SDC18.888-0.476. (a): top - Spitzer 8 $\mu$ m ; middle- H 2 column density from Herschel observations; bottom - N 2 H + (1-0) integrated emission. The contours are identical in all panels, and are those of the H 2 column density image. The yellow contour corresponds to $N_{\rm{N_

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星団の前身クラスターは、親分子雲と力学的に結合しているのか、それとも別個の力学的状態を示しているのか。
• RQ2 観測された密度プロファイルおよび速度分散プロファイルが、ラーソンのスケーリング則から逸脱しており、物理的状態の転換を示しているのか。
• RQ3 分子雲内での低星形成効率が、高密度クラスターが大規模な雲構造から力学的に分離することに起因しているのか。
• RQ4 希薄領域と高密度領域の間で速度分散プロファイル（βが約0.5から約0に）に観測された転換の原因は何か。
• RQ5 観測されたプロファイルは、全体的な雲の収縮ではなく、安定な雲に埋め込まれたパーセクスケールのクラスターの全体的重力収縮によって説明できるのか。

主な発見

• 観測スケール（約0.2 pcから約30 pc）の全範囲で、大部分の分子雲が自己重力的であることが確認された。
• 高密度クラスターは、希薄な雲領域（γ ≈ 1）よりも急な質量面密度プロファイル（γ ≈ 2、ρ ∝ r⁻²）を示した。
• 速度分散プロファイルには明確な転換が観測された：希薄領域ではβ ≈ 0.5、高密度クラスターではβ ≈ 0であり、これは平坦なσプロファイルを示している。
• クラスターにおいてラーソンの法則（ρ ∝ r⁻²、σ ∝ r⁰.5）からの逸脱が確認されたことから、周囲ガスとは力学的に分離されていることが裏付けられた。
• 観測データは、パーセクスケールのクラスターが全体的な重力収縮を undergoing しているが、母雲は安定なままであるというシナリオを最も支持している。
• 2 pc以上のスケールで観測された速度分散プロファイルの多様性は、雲の進化段階の多様性または外部要因の影響を示唆している。

Figure 2: Sketch of molecular cloud configuration and relevant tracers. Diffuse gas (represented in green) is traced by 13 CO(1-0) and dust continuum. However, only the former is able to disentangle the emission of multiple clouds along the line of sight by segmenting them in velocity space. In this