[論文レビュー] W51North: A protocluster emerging out of a thermally inhibited fragmenting cloud

Mengyao Tang, Aina Palau+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 90被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、ALMAの高分解能（0.028′′、144 AU）のミリ波連続スペクトルデータを用い、W51 IRS2原始星集団領域における破壊的形成を調査し、熱的に抑制された環境下で29個の断片を特定した。熱的ジェイムズ過程に従う破壊的形成が200–400 Kで成立しており、高温にもかかわらず断片の質量と間隔を説明できることを示し、1845 AU未満のスケールで線形な階層的クラスタリング構造を示す二段階の階層的クラスタリングを明らかにした。これは銀河系のクラスタ形成と整合的である。

ABSTRACT

The fragmentation process in massive star-forming regions is one of the contemporary problems in astrophysics, and several physical processes have been proposed to control the fragmentation including turbulence, magnetic field, rotation, stellar feedback, and gravity. However, the fragmentation process has been poorly studied at small spatial scales well below 1000 AU. We aim to use ALMA (Atacama Large Millimeter and Submillimeter Array) high angular resolution data to identify the fragments in W51 IRS2 and to study the fragmentation properties on a spatial scale of 200 AU. We used ALMA data of W51 IRS2 from three projects, which give an angular resolution of 0.028$^{\prime\prime}$ (144 AU) at millimeter wavelengths. We identified compact fragments by using {\it uv}-range constrained 1.3 mm continuum data. A Mean Surface Density of Companions (MSDC) analysis has been performed to study the separations between fragments. A total number of 33 continuum sources are identified and 29 out of them are defined as fragments in the surveyed region.The MSDC analysis reveals two breaks corresponding to spatial sales of 1845 AU and 7346 AU, indicative of a two-level clustering phenomenon, along with a linear regime below 1845 AU, mostly associated with W51 North, whose slope is consistent with the slope for the clustering regime of other cluster-like regions in the Galaxy. The typical masses and separations of the fragments as well as the relation between density and number of fragments can be explained through a thermal Jeans process operating at high temperatures of 200--400 K, consistent with previous measurements of the temperature in the region, and produced by the nearby massive stars. Therefore, although W51 IRS2 seems to be undergoing a thermally inhibited fragmentation phase, this does not seem to prevent the formation of a protocluster associated with W51 North.

研究の動機と目的

• 1000 AU未満のスケールで、質量が大きく熱的に抑制されたW51 IRS2領域における破壊的形成特性を調査する。
• コンパクトな連続スペクトル源を特定し、その空間的分布および物理的性質を特徴づける。
• 破壊的形成が熱的ジェイムズ過程によって支配されているか、あるいは乱流や磁場といった他のメカニズムによって制御されているかを特定する。
• 星間物質のフィードバックが破壊的形成を抑制する一方で、原始星集団の形成を可能にする役割を果たすかを評価する。
• 平均表面密度の同伴物（MSDC）解析を用いて階層的クラスタリングパターンを検討し、マルチスケール構造を同定する。

提案手法

• ALMAの3つのプロジェクト（2013.1.00994.S, 2015.1.01596.S, 2017.1.00293.S）のデータを統合し、合成ビームが0.028′′（144 AU）となる高解像度を達成した。
• 3 mmおよび1.3 mmの連続スペクトル画像からスペクトル指数マップを作成し、自由自由放射（指数〜0.2）とチリ放射（指数〜2.0）を区別した。
• uv範囲制限付きの1.3 mm連続スペクトル画像（uv > 910 kλ）を作成し、小スケール構造（<500 AU）を分離し、コンパクトな断片を同定した。
• 12σの検出閾値を適用して、33個の空間的に異なる連続スペクトル源を特定し、そのうち29個を断片と分類した。
• 断片のクラスタリングを複数スケールで分析するために、平均表面密度の同伴物（MSDC）解析を実施した。
• 200–400 Kの温度を用いてジェイムズ解析を実施し、熱的破壊的形成モデルとの整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1000 AU未満の空間スケールで、W51 IRS2領域における破壊的形成を支配する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 周囲の巨大星の存在により、200–400 Kに加熱される環境下で、破壊的形成プロセスはどのように変化するか？
• RQ3 W51 IRS2における断片の観測されたクラスタリングは、階層的で二段階の構造を示しているか？ もしそうであれば、どの空間スケールで現れるか？
• RQ4 観測された断片の分布は、高温条件下でも熱的ジェイムズ破壊的形成プロセスと整合的か？
• RQ5 W51 IRS2のMSDCプロットの勾配は、他の銀河系の星形成領域と比較してどう異なるか？ これは分子雲におけるフラクタル構造に何を示唆するか？

主な発見

• 合計33個の連続スペクトル源が同定され、そのうち29個が断片と分類された。断片の質量は0.2～2 M⊙の間であった。
• スペクトル指数マップでは、大部分の領域が指数≈2.0（チリ放射）を示したが、W51 d2およびCC1は指数≈0.2を示し、自由自由放射および部分的光学厚さを示した。
• MSDC解析により、2つの明確な過密度スケール（1845 AUおよび7346 AU）が特定され、二段階の階層的破壊的形成プロセスが示された。
• 1845 AUおよび7346 AUのスケールに基づき、5つの小スケールエンsembles（SEs）および2つの大スケールエンsembles（LEs）が定義された。
• 分離距離が1845 AU未満の範囲でMSDCプロットに線形領域が観測され、勾配は–0.8 ± 0.1であった。これは他の銀河系クラスタで観測されたクラスタリング領域と整合的であった。
• ジェイムズ解析により、観測された断片の質量と間隔が、200–400 Kで動作する熱的ジェイムズ過程と整合的であることが示された。これは熱的抑制にもかかわらず破壊的形成が成立することを説明する。