[論文レビュー] Very compact radio emission from high-mass protostars. II. Dust disks and ionized accretion flows

F. van der Tak, K. M. Menten|ArXiv.org|Apr 1, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 47被引用数 50

ひとこと要約

本研究では、43 GHz VLBI像を用いて、高質量プロト星W33A、AFGL 2591、NGC 7538 IRS9からのコンパクトでmJyレベルの電波放射を検出しており、星の重力によって閉じ込められたイオン化された降着流を示している。結果は、降着流が星の近くでイオン化され、H II領域が重力的に束縛されたまま保たれることを支持しており、星が約10⁵ L⊙に達するまではそうである。それ以降、H II領域は拡張し、流れは非同調的になる。

ABSTRACT

This paper reports 43 GHz imaging of the high-mass protostars W33A, AFGL 2591 and NGC 7538 IRS9 at 0.04'' and 0.6'' resolution. In each case, weak (~mJy), compact (~100 AU) emission is detected, which has an elongated shape (axis ratio ~3). For AFGL 2591 and NGC 7538 IRS9, the emission is single-peaked, while for the highest luminosity source, W33A, a `mini-cluster' of three sources is detected. The derived sizes, flux densities, and broad-band radio spectra of the sources support recent models where the initial expansion of HII regions around very young O-type stars is prevented by stellar gravity. In these models, accretion flows onto high-mass stars originate in large-scale molecular envelopes and become ionized close to the star. These models reproduce our observations of ionized gas as well as the structure of the molecular envelopes of these sources on 10^3--10^4 AU scales derived previously from single-dish submillimeter continuum and line mapping. For AFGL 2591, the 43 GHz flux density is also consistent with dust emission from a disk seen in near-infrared `speckle' images. However, the alignment of the 43 GHz emission with the large-scale molecular outflow argues against an origin in a disk for AFGL 2591 and NGC 7538 IRS9. In contrast, the outflow from W33A does not appear to be collimated. Together with previously presented case studies of W3 IRS5 and AFGL 2136, our results indicate that the formation of stars and stellar clusters with luminosities up to ~10^5 L0 proceeds through accretion and produces collimated outflows as in the solar-type case, with the `additional feature' that the accretion flow becomes ionized close to the star. Above ~10^5 L0, clusters of HII regions appear, and outflows are no longer collimated, possibly as the result of mergers of protostars or pre-stellar cores.

研究の動機と目的

• 高解像度観測を用いて、深く埋もれた高質量プロト星からのコンパクト電波放射の性質を調査すること。
• 電波放射がイオン化された降着流に起因するのか、あるいはほこりのディスクに起因するのかを特定し、質量星形成モデルに与える意味を評価すること。
• 電波放射、分子流れ、および高質量プロト星の進化段階との関係を検討すること。
• 初期段階の高質量星において、イオン化された降着流が星の重力によって閉じ込められているという仮説を検証すること。
• 特に10⁵ L⊙の光度に達する周辺で、降着支配からH II領域支配への遷移を調査すること。

提案手法

• 非常に長基線干渉計（VLBA）を用いた43 GHz連続スペクトル画像法により、約0.04″および約0.6″の解像度でコンパクト電波源を検出する。
• 15–107 GHzの広帯域電波データを用いたスペクトル指数分析により、熱的ブレムストラールング、自由自由吸収、および非熱的放射メカニズムを区別する。
• スペクトル指数分析により、電波の形態と、スペアクル像法によるほこりディスクの検出および分子流れ構造とを比較する。
• 重力的閉じ込めに基づくイオン化された降着流のモデル化。H II領域は、その半径がGM/(2cₛ²)を超えた場合にのみ拡張する。
• 放射温度（約1500 K）および電子密度（約10¹³ cm⁻³）の評価により、自由自由放射のためのほこり昇華半径モデルを検証する。
• H₂Oメーザーの運動学的特性と流れとの空間的整合性を用いて、電波放射の起源を特定し、ディスク由来と流れ由来の放射を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W33A、AFGL 2591、NGC 7538 IRS9のような高質量プロト星におけるコンパクトでmJyレベルの電波放射の物理的起源は何か？
• RQ2 観測された電波放射は、星の重力によって閉じ込められたイオン化された降着流に起因するのか、それとも周囲のほこりディスクに起因するのか？
• RQ3 電波放射の形態とスペクトル指数は、同調された分子流れの存在とどのように関係しているか？
• RQ4 イオン化された降着流から拡張するH II領域への遷移が起こる光度のしきい値は何か？
• RQ5 プロト星の合体やコアの融合は、非同調的な流れや集団的H II領域形成にどのような役割を果たすか？

主な発見

• すべての3つの源で、コンパクトでmJyレベルの電波放射（FWHM ≈ 100 AU）が検出された。W33Aでは、3000–5000 AUの距離で三重源系が観測された。
• W33AとAFGL 2591の電波スペクトルは、スペクトル指数がγ ≈ 1.86に近く、熱的ブレムストラールングによるものと一致している。
• NGC 7538 IRS9では、電波スペクトルが非熱的であり、おそらくジェット由来のシンクロtron放射を示唆している。また、mmスペクトルは他の源よりも急で、光学的薄いほこり放射を示している。
• AFGL 2591の43 GHz放射は、近赤外スペアクル像法で検出されたディスクからのほこり放射に一致するが、大規模な分子流れと一致するため、ディスク由来とは考えにくい。
• 観測された放射温度（約1500 K）および電子密度（約10¹³ cm⁻³）は、自由自由放射のためのほこり昇華半径モデルを支持している。
• 結果は、降着流が星の近くでイオン化され、星が約10⁵ L⊙に達するまでは重力的に閉じ込められたまま保たれ、それ以降H II領域が拡張し流れが非同調的になるというモデルを支持している。