[논문 리뷰] Dynamics of cluster-forming hub-filament systems: The case of the high-mass star-forming complex Monoceros R2

S. P. Treviño-Morales, A. Fuente외 16명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 123인용 수 24

한 줄 요약

이 연구는 IRAM-30m 천체망원경에서 확보한 13CO 및 C18O 선 데이터와 허셀 위성의-dust 열량 밀도 맵을 이용하여, 근접한 고질량 성간 별 형성 영역인 Monoceros R2 허브-필라멘트 시스템의 역학적 진화를 조사한다. 주 필라멘트는 비열운동을 고려할 경우 열적으로 초임계이며, 허브로의 질량 축적률은 10⁻⁴–10⁻³ M☉ yr⁻¹이다. 중심 허브에는 낙하 및 회전 운동과 일치하는 나선형, 회전하는 구조가 존재하며, 이는 질량이 약 250만 년에 두 배로 증가하는 역학적으로 진화된 시스템임을 시사한다.

ABSTRACT

High-mass stars and star clusters commonly form within hub-filament systems. Monoceros R2, harbors one of the closest such systems, making it an excellent target for case studies. We investigate the morphology, stability and dynamical properties of the hub-filament system on basis of 13CO and C18O observations obtained with the IRAM-30m telescope and H2 column density maps derived from Herschel dust emission observations. We identified the filamentary network and characterized the individual filaments as either main (converging into the hub) or secondary (converging to a main filament) filaments. The main filaments have line masses of 30-100 Msun/pc and show signs of fragmentation. The secondary filaments have line masses of 12-60 Msun/pc and show fragmentation only sporadically. In the context of Ostriker's hydrostatic filament model, the main filaments are thermally super-critical. If non-thermal motions are included, most of them are trans-critical. Most of the secondary filaments are roughly trans-critical regardless of whether non-thermal motions are included or not. From the main filaments, we estimate a mass accretion rate of 10(-4)-10(-3) Msun/pc into the hub. The secondary filaments accrete into the main filaments with a rate of 0.1-0.4x10(-4) Msun/pc. The main filaments extend into the hub. Their velocity gradients increase towards the hub, suggesting acceleration of the gas. We estimate that with the observed infall velocity, the mass-doubling time of the hub is ~2.5 Myr, ten times larger than the free-fall time, suggesting a dynamically old region. These timescales are comparable with the chemical age of the HII region. Inside the hub, the main filaments show a ring- or a spiral-like morphology that exhibits rotation and infall motions. One possible explanation for the morphology is that gas is falling into the central cluster following a spiral-like pattern.

연구 동기 및 목표

• 근접한 고질량 성간 별 형성 복합체인 Monoceros R2 허브-필라멘트 시스템의 형태학적, 역학적, 안정성 특성을 이해하기 위해.
• 관측된 운동학적 데이터를 이용해 주요 및 보조 필라멘트의 선 질량과 임계성(열적 및 비열적)을 결정하기 위해.
• 보조 필라멘트에서 주 필라멘트로, 그리고 주 필라멘트에서 중심 허브로의 질량 축적률을 추정하기 위해.
• 특히 회전 및 낙하 운동의 존재 여부를 포함한 중심 허브의 운동학적 및 형태학적 구조를 조사하기 위해.
• 자기자기 자유 낙하 시간과 H II 영역의 화학 연령과 비교하여 허브의 역학적 연령을 평가하기 위해.

제안 방법

• 허셀 위성의 H₂ 열량 밀도 맵에 DisPerSE 알고리즘을 적용하여 Mon R2 내 필라멘트 네트워크를 식별하고 특성화하였다.
• IRAM-30m 천체망원경에서 확보한 13CO 및 C18O (1→0) 및 (2→1) 선 방출 데이터를 이용해 필라멘트를 따라 속도, 선 폭, 광학 두께 프로파일을 유도하였다.
• Ostriker의 정적 필라멘트 모델을 사용하여 선 질량을 계산하고, 열운동 및 비열운동 속도 분산을 모두 포함한 임계성을 평가하였다.
• 속도 기울기와 열량 밀도 구조를 이용해 허브 및 필라멘트를 따라의 질량 축적률을 추정하였다.
• 중심 허브의 형태를 나선형 또는 고리형 구조로 모델링하고, 위치-속도도 및 속도 기울기를 통해 그 운동학적 특성을 평가하였다.
• 관측된 낙하 속도와 총 질량을 비교하여 허브의 질량 이중화 시간스케일을 계산하였으며, 자유 낙하 시간과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mon R2 허브-필라멘트 시스템의 주요 및 보조 필라멘트의 형태학적 및 역학적 특성은 무엇인가요?
• RQ2 열운동과 비열운동이 필라멘트의 임계성에 미치는 영향은 무엇이며, 중력적으로 불안정한가요?
• RQ3 보조 필라멘트에서 주 필라멘트로, 그리고 주 필라멘트에서 중심 허브로의 질량 축적률은 무엇인가요?
• RQ4 중심 허브에는 어떤 운동학적 서식지(예: 회전, 낙하)가 존재하며, 이는 그 시스템의 역학적 상태에 대해 어떤 의미를 갖나요?
• RQ5 관측된 허브의 질량 이중화 시간스케일은 자유 낙하 시간과 H II 영역의 화학 연령에 비해 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• Mon R2의 주 필라멘트는 선 질량이 30–100 M☉ pc⁻¹이며, 열적으로 초임계이다. 비열운동을 포함하면 임계 상태에 도달한다.
• 보조 필라멘트는 선 질량이 12–60 M☉ pc⁻¹이며, 비열운동을 고려하건 말건 대략적으로 임계 상태이다.
• 중심 허브로의 질량 축적률은 약 10⁻⁴–10⁻³ M☉ yr⁻¹로 추정되며, 이 중 보조 필라멘트의 기여율은 0.1–0.4 × 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹이다.
• 주 필라멘트의 속도 기울기는 허브 쪽으로 갈수록 증가하며, 기체의 가속을 나타내며 낙하 운동과 일치한다.
• 중심 허브는 고리형 또는 나선형 형태를 띠며, 동시에 회전과 낙하 운동이 중첩되어 있어, 기체가 나선형 패턴을 따라 클러스터로 유입됨을 시사한다.
• 허브의 질량 이중화 시간스케일은 약 250만 년이며, 자유 낙하 시간보다 약 10배 길어, 역학적으로 오래된 시스템임을 나타내며, H II 영역의 화학 연령과 일치한다.