[論文レビュー] The search for high-mass protostars with ALMA revealed up to kilo-parsec scales (SPARKS): I. Indication for a centrifugal barrier in the environment of a single high-mass envelope

T. Csengeri, N. Schneider+12 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Apr 17, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 81被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、高質量包み込み星G328.2551-0.5321のALMA観測を行い、コンpakな、わずかに解像されたダスト連続スペクトル源と、降着円盤に一致する方位角方向の延長を明らかにした。系統速度から±4.5 km s⁻¹の速度オフセットを持つねじれ励起CH3OH線放出は、遠心力バリアでの衝撃を示しており、低質量包み込み星と比べて1桁高い特定角運動量を持つ円盤であることを示唆し、コア崩壊シナリオよりもグローバル崩壊モデルを支持する。

ABSTRACT

The formation of the most massive O-type stars is poorly understood. We present a case study of a young massive clump from the ATLASGAL survey, G328.2551-0.5321. It exhibits a bolometric luminosity of 1.3$ imes$10$^4$ L$_{\odot}$ corresponding to a current protostellar mass of $\sim$11 and 16 M$_{\odot}$. We analyze high angular-resolution observations with ALMA at $\sim$0.17" corresponding a physical scale of $\sim$400 au in dust continuum and molecular lines. The dust continuum emission reveals a single high-mass protostellar envelope and shows evidence for a marginally resolved continuum source. We detect a rotational line of CH$_3$OH within its $v_{ m t}$=1 torsionally excited state revealing two bright peaks of emission spatially offset from the dust continuum peak, and exhibiting a distinct velocity component $\pm$4.5 km s$^{-1}$ offset compared to the source $v_{ m lsr}$. Local thermodynamic equilibrium analysis suggests N(CH$_3$OH)=1.2$-$2$ imes$10$^{19}$ cm$^{-2}$, and kinetic temperatures of 160$-$200 K at the position of these peaks. Their velocity shifts correspond well to the expected Keplerian velocity around a central object with 15M$_{\odot}$ consistent with the mass estimate based on the source's bolometric luminosity. We propose a picture where the CH$_3$OH emission peaks trace the accretion shocks around the centrifugal barrier, pinpointing the interaction region between the collapsing envelope and an accretion disk. Because the HC$_3$N $v_{ m 7}$=1e ($J$=38-37) line shows compact emission, and a velocity pattern consistent with models of Keplerian rotation, we suggest that this could be a new tracer for compact accretion disks around high-mass protostars. The estimated physical properties of the accretion disk suggest a specific angular momentum several times larger than typically observed towards low-mass protostars.

研究の動機と目的

• UC HII領域形成以前の主降着期にある高質量包み込み星の物理的状態と降着構造を調査すること。
• 高質量星形成が低質量星形成のスケールアップ版であるのか、それとも別個のメカニズムに従うのかを特定すること。
• 高質量包み込み星の包み込み層における降着円盤および遠心力バリアの tracer を同定すること。
• 角運動量および崩壊ダイナミクスが高質量星形成に果たす役割を評価すること。
• 振動励起分子線がコンパクトな降着円盤の tracer としての可能性を検討すること。

提案手法

• 高分解能ALMA観測（解像度約0.17″、物理スケール400 au）を用いて、熱的ダスト連続スペクトルおよび分子線放出をマッピングした。
• CH3OH回転遷移の回転ダイアグラム解析および局所熱的平衡（LTE）モデル化を適用し、励起温度および柱密度を導出した。
• CH3OHおよびCO（J=3–2）線の速度構造を比較して、運動学的特徴を推定し、遠心力バリアの位置を特定した。
• SiO（J=8–7）、SO2およびHC3N線の形態および運動学的特徴を分析し、衝撃および噴流活動を追跡した。
• 振動励起HC3N（υ7=1e, J=38–37）線の観測を実施し、内側降着円盤との関連性を検討した。
• ダスト連続スペクトルのデコンボリューションおよび等高線半径測定（R90% ~250 au）を用いて、円盤サイズおよび構造を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたCH3OH線放出が、±4.5 km s⁻¹の速度オフセットを持つ高質量包み込み星の包み込み層における遠心力バリアでの衝撃をトレースしているか？
• RQ2 内側包み込み層の推定された特定角運動量は何か？また、低質量包み込み星と比較してどう異なるか？
• RQ3 振動励起HC3N線が、高質量包み込み星周辺のコンパクトな降着円盤を示す新しい tracer として機能できるか？
• RQ4 観測された形態および運動学的特徴は、コア崩壊モデルではなくグローバル崩壊モデルに一致するか？
• RQ5 高励起CH3OHスポットにおける物理的状態（Tkin, N(CH3OH)）は何か？

主な発見

• CH3OH線放出のピークはダスト連続スペクトルのピークから空間的にずれており、源の系統速度（vLSR）に対して±4.5 km s⁻¹の速度シフトを示している。
• LTE仮定の下での回転ダイアグラム解析により、高励起スポットにおける励起温度は160–200 K、CH3OH柱密度は1.2–2.0 × 10¹⁹ cm⁻² となった。
• CH3OHピークにおける観測された速度シフトは、約15 M☉の中心質量まわりのケプラーローションと一致し、ボロメトリック光度に基づく質量推定値とも一致した。
• ダスト連続スペクトルは、わずかに解像された成分を示しており、デコンボリューションされた90%半径は約250 auであり、遠心力バリア内での降着円盤と一致した。
• ダストピーク回りの方位角方向の延長は、らせん構造または円盤状構造を示唆している。
• 振動励起HC3N（υ7=1e, J=38–37）線はコンパクトな形態を示しており、内側円盤領域をトレースしている可能性があり、新たな潜在的円盤 tracer としての可能性を示した。