[論文レビュー] Unifying low and high mass star formation through density amplified hubs of filaments

M. S. N. Kumar, P. Palmeirim+2 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Aug 1, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 133被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、低質量星と高質量星がともにハブ・フィラメント系（HFS）内で形成される統一的『フィラメントからクラスタ』の枠組みを提唱する。低質量星はフィラメント内でゆっくりと形成され、高質量星は密度増幅されたハブで急速に形成される。ハブは発散するフィラメントによって形成され、列密度が最大で10倍に増幅され、質量降着を駆動し、集中的な重力崩壊とフィラメント間空洞へのフィードバック散逸を通じて、100 M☉を超える最も重い星の形成を可能にする。

ABSTRACT

Context: Star formation takes place in giant molecular clouds, resulting in mass-segregated young stellar clusters composed of Sun-like stars, brown dwarves, and massive O-type(50-100\msun) stars. Aims: To identify candidate hub-filament systems (HFS) in the Milky-Way and examine their role in the formation of the highest mass stars and star clusters. Methods: Filaments around ~35000 HiGAL clumps that are detected using the DisPerSE algorithm. Hub is defined as a junction of three or more filaments. Column density maps were masked by the filament skeletons and averaged for HFS and non-HFS samples to compute the radial profile along the filaments into the clumps. Results: ~3700~(11\%) are candidate HFS of which, ~2150~(60\%) are pre-stellar, ~1400~(40\%) are proto-stellar. All clumps with L>10^4 Lsun and L>10^5 Lsun at distances respectively within 2kpc and 5kpc are located in the hubs of HFS. The column-densities of hubs are found to be enhanced by a factor of ~2 (pre-stellar sources) up to ~10 (proto-stellar sources). Conclusions: All high-mass stars preferentially form in the density enhanced hubs of HFS. This amplification can drive the observed longitudinal flows along filaments providing further mass accretion. Radiation pressure and feedback can escape into the inter-filamentary voids. We propose a "filaments to clusters" unified paradigm for star formation, with the following salient features: a) low-intermediate mass stars form in the filaments slowly (10^6yr) and massive stars quickly (10^5yr) in the hub, b) the initial mass function is the sum of stars continuously created in the HFS with all massive stars formed in the hub, c) Feedback dissiption and mass segregation arise naturally due to HFS properties, and c) explain age spreads within bound clusters and formation of isolated OB associations.

研究の動機と目的

• 銀河系内のハブ・フィラメント系（HFS）を特定し、最も重い星の形成におけるその役割を同定すること。
• HFS内の密度増幅ハブがどのように質量降着を駆動し、高質量星形成を維持するかを調査すること。
• 低質量星と高質量星の形成 timescale の違いを、1つの統一的枠組みで統合すること。
• HFSの構造とダイナミクスを通じて、若い星団における質量分離、フィードバック散逸、年齢分散を説明すること。
• すべての高質量星がHFSのハブに偏って形成され、フィードバックがフィラメント間空洞へ逃げるという仮説を検証すること。

提案手法

• 3σ以上で少なくとも4バンドで検出された35,000個のクラスタを含むHerschel HiGAL調査を用い、SPIRE 250 μm画像の10′×10′カットアウトに焦点を当てた。
• 最小長さ55″（3×18″ビーム）で、かつクラスタ内に少なくとも18″以上を含むフィラメント骨格を検出するためにDisPerSEアルゴリズムを適用した。
• フィラメント骨格を用いてマスクを作成し、列密度マップを計算することで、3本以上のフィラメントが接続する地点をハブとして定義した。
• HFSと非HFSの両サンプルに対して、フィラメントに沿ったクラスタ内への列密度プロファイルを計算し、密度増幅を定量化した。
• NGC2264およびW40のアーカイブHerschel SPIREデータを分析し、異なる進化段階においてもHFSパラダイムが妥当であるかを検証した。
• W40におけるパイルド・ライク構造およびHII領域の形態を強調するため、広域カラー合成画像を作成した。その結果、放射能駆動フィードバックと整合的であった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最も重い星（>100 M☉）は、ハブ・フィラメント系（HFS）の密度増幅ハブに偏って形成されるか？
• RQ2 フィラメントに沿った縦方向の流れは、ハブへの質量降着をどのように駆動し、高質量星形成をどのように維持するか？
• RQ3 放射能、イオン化、星風などのフィードバックは、HFS構造をどのように形作り、高密度ハブでの星形成を可能にするか？
• RQ4 HFS構造はどのように自然に若い星団における質量分離と年齢分散を生じさせるか？
• RQ5 初期質量関数（IMF）は、フィラメントおよびハブで連続的に形成された星の合算として説明可能であり、ハブにトップヘビー成分が存在するか？

主な発見

• HiGALカタログに含まれる35,000個のクラスタのうち約11%（3,700個）が候補となるハブ・フィラメント系（HFS）であり、そのうち60%（2,150個）が原始星前クラスタ、40%（1,400個）が原始星クラスタであった。
• HFS内のフィラメントは平均して10–20 pcの長さを持ち、質量は約5×10⁴ M☉、線質量は約2×10³ M☉ pc⁻¹であった。
• 2 kpc以内で10⁴ L☉以上の輝度を持つすべてのクラスタ、および5 kpc以内で10⁵ L☉以上の輝度を持つすべてのクラスタがHFSのハブに位置しており、高質量星形成と強い相関があることが示された。
• 原始星前クラスタでは列密度が約2倍に増幅され、原始星クラスタでは最大で約10倍に増幅されており、質量の顕著な集中が示された。
• HFSパラダイムは、密度増幅とハブへの縦方向質量流れを通じて、最も重い星（例：エータ・カービナ、約120 M☉）の形成を説明できる。
• 磁気的フィルター効果を持つ平坦な構造を持つハブにより、高質量星からのフィードバックがフィラメント間空洞へ逃げ、進行中の降着を最小限に抑えることが可能である。