[論文レビュー] The earliest phases of star formation - A Herschel key project. The thermal structure of low-mass molecular cloud cores

R. Launhardt, Amelia M. Stutz+20 more|arXiv (Cornell University)|Jan 8, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 82

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル宇宙望遠鏡の観測を用いて、12個の低質量分子雲コアにおけるダスト温度構造を直接測定し、それらの熱的プロファイルが、周囲の星間放射場からの外部加熱と拡張したハローによる遮蔽によって支配されていることを明らかにした。主な発見は、星なしコアが熱的に安定化されており、6つのうち5つが重力的に束縛されていること、およびT_bol < 25 Kが、低発光度の場合を含め、星なしコアと原始星を区別する強固な基準であるということである。

ABSTRACT

The temperature and density structure of molecular cloud cores are the most important physical quantities that determine the course of the protostellar collapse and the properties of the stars they form. Nevertheless, density profiles often rely either on the simplifying assumption of isothermality or on observationally poorly constrained model temperature profiles. With the aim of better constraining the initial physical conditions in molecular cloud cores at the onset of protostellar collapse, we initiated the Guaranteed Time Key Project (GTKP) "The Earliest Phases of Star Formation" (EPoS) with the Herschel satellite. This paper gives an overview of the low-mass sources in the EPoS project, including all observations, the analysis method, and the initial results of the survey. We study the thermal dust emission of 12 previously well-characterized, isolated, nearby globules using FIR and submm continuum maps at up to eight wavelengths between 100 micron and 1.2 mm. Our sample contains both globules with starless cores and embedded protostars at different early evolutionary stages. The dust emission maps are used to extract spatially resolved SEDs, which are then fit independently with modified blackbody curves to obtain line-of-sight-averaged dust temperature and column density maps. We find that the thermal structure of all globules is dominated by external heating from the interstellar radiation field and moderate shielding by thin extended halos. All globules have warm outer envelopes (14-20 K) and colder dense interiors (8-12 K). The protostars embedded in some of the globules raise the local temperature of the dense cores only within radii out to about 5000 AU, but do not significantly affect the overall thermal balance of the globules.

研究の動機と目的

• 高分解能の遠赤外およびサブミリ波長連続スペクトルデータを用いて、低質量分子雲コアにおけるダスト温度構造を直接測定すること。
• 星なしコアが熱的に安定化されているか、重力的崩壊の直前にあるかを特定すること。
• 埋め込まれた原始星がその母なるグロブールの熱的バランスに与える影響を評価すること。
• 空間的に解像されたスペクトルエネルギー分布（SED）を観測することで、星形成の初期条件に対する制約を強化すること。
• ボリオメトリック温度と発光度を用いて、星なしコアと原始星コアを区別する強固な基準を確立すること。

提案手法

• ハーシェルのPACSおよびSPIRE機器を用いて、12個の孤立的で近接したグロブールに対して、8波長（100–1200 µm）のFIRおよびサブミリ波長連続スペクトルマップを取得した。
• ダスト放射マップから空間的に解像されたSEDを抽出し、視線平均ダスト温度および密度マップを導出した。
• SEDに修正ブラックボディ関数をフィットさせ、各コアにおける温度および密度構造を推定した。
• IRAM 30m、APEX、JCMTからの補足的な地上観測データを用いて、ハーシェル観測を補完および補正した。
• 視線方向の温度勾配を回復し、1次元仮定を越えた3次元密度構造を推定するために、レイトラシングアルゴリズムを適用した。
• 温度マップにおける系誤差を評価したところ、温度対比のため、中心温度が1–4 Kだけ系的に過大評価されていることが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低質量分子雲コアの熱的構造は何か？ その温度プロファイルを支配する要因は何か？
• RQ2 埋め込まれた原始星は、その母なるグロブールの熱的バランスにどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 星なしコアは熱的に安定化されているのか、それとも重力的崩壊の直前にあるのか？
• RQ4 T_bol < 25 Kは、低発光度の対象を含め、星なしコアと原始星コアを信頼性高く区別する基準として使用できるか？
• RQ5 外部加熱および拡張したハローによる遮蔽は、これらのコアの温度構造にどのように影響するか？

主な発見

• グロブールの外側ダスト温度（14–20 K）は、主に星間放射場からの外部加熱と薄い拡張ハローによる遮蔽によって決定されている。
• グロブールの高密度内部はより冷たく（8–12 K）、密度は数×10²² cm⁻²程度であり、高い遮蔽と低い熱励起を示している。
• 埋め込まれた原始星は、約5000 AUの半径内でのみ局所的な温度を上昇させ、グロブール全体の熱的バランスに顕著な影響を及ぼさない。
• 6つの星なしコアのうち5つは熱的に安定化されており、CB 244のコアは過超臨界であり、崩壊の直前にある可能性が高い。
• グロブールの平均質量は7 M☉であり、その半径はジェインス長さ（約0.13 pc）と同等またはわずかに大きいことから、ジェインススケールでの重力的分岐が起こっている可能性がある。
• ボリオメトリック温度のしきい値T_bol < 25 Kが、星なしコアと原始星コアを区別する強固な基準として明確に特定された。これは、非常に低発光度の対象に対しても成立する。