[논문 리뷰] Fragmentation, rotation and outflows in the high-mass star-forming region IRAS 23033+5951. A case study of the IRAM NOEMA large program CORE

F. Bosco, H. Beuther외 24명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 09.

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한 줄 요약

이 연구는 고질량 성간 형성 영역 IRAS 23033+5951을 고해상도 NOEMA 및 IRAM 30m 관측을 통해 분열, 회전, 분출 기류의 분석을 통해 수행한다. 계층적인 핵 분열이 발견되었으며, 세 가지의 명확한 진화 단계를 보인다: 침체 상태의 핵(MMS2a), 디스크를 지닌 원시은하(MMS1b)로, 킬러피안 유사한 회전과 콘두르된 기류를 보이며, 매우 진화된 핵(MMS1a)은 넓은 개구역 기류와 cm 방사선을 보이며, 다수의 고질량 원시은하의 존재를 시사한다. 이는 고질량 성형에서 디스크 매개된 질량 증가와 기류 진화를 지지한다.

ABSTRACT

The formation process of high-mass stars (>8M$_\odot$) is poorly constrained, particularly, the effects of clump fragmentation creating multiple systems and the mechanism of mass accretion onto the cores. We study the fragmentation of dense gas clumps, and trace the circumstellar rotation and outflows by analyzing observations of the high-mass (~500M$_\odot$) star-forming region IRAS 23033+5951. Using the Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in three configurations and the IRAM 30-m single-dish telescope at 220GHz, we probe the gas and dust emission at an angular resolution of ~0.45arcsec, corresponding to 1900au. In the mm continuum emission, we identify a protostellar cluster with at least four mm-sources, where three of them show a significantly higher peak intensity well above a signal-to-noise ratio of 100. Hierarchical fragmentation from large to small spatial scales is discussed. Two fragments are embedded in rotating structures and drive molecular outflows, traced by $^{13}$CO (2-1) emission. The velocity profiles across two of the cores are similar to Keplerian but are missing the highest velocity components close to the center of rotation, which is a common phenomena from observations like these, and other rotation scenarios are not excluded entirely. Position-velocity diagrams suggest protostellar masses of ~6 and 19M$_\sun$. Rotational temperatures from fitting CH$_3$CN ($12_K-11_K$) spectra are used for estimating the gas temperature and by that the disk stability against gravitational fragmentation, utilizing Toomre's $Q$ parameter. [We] identify only one candidate disk to be unstable against gravitational instability caused by axisymmetric perturbations. The dominant sources cover different evolutionary stages within the same maternal gas clump. The appearance of rotation and outflows of the cores are similar to those found in low-mass star-forming regions.

연구 동기 및 목표

• 고질량 클러스터의 다중 척도 운동학적 및 형태학적 분석을 통해 고질량 항성의 형성 메커니즘을 규명한다.
• 분자선 및 연속 방사선 데이터를 이용해 IRAS 23033+5951 영역 내 임bedded 원시은하의 진화 단계를 규명한다.
• 디스크 질량 증가와 원시은하 진화의 지표로 작용하는 도전하는 구조와 기류의 존재를 조사한다.
• 서브아크초 해상도에서 투머 Q 파라미터 지도를 통해 가상의 디스크의 안정성을 평가한다.

제안 방법

• IRAM NOEMA 간섭계의 A, B, D 구성에서 1.37 mm 먼지 연속 및 분자선 관측을 고해상도로 수행하였다.
• IRAM 30m 단일 천체망원경으로부터의 짧은 간격 방사선을 조합하여 확장된 방사선을 복원하고 동적 범위를 향상시켰다.
• xclass를 사용하여 메틸 시아니다이드(12K–11K) 선의 복사전달 모델링을 수행하여 픽셀 단위의 회전 온도 지ap을 유도하였다.
• 회전 온도 지도로부터 투머 Q 파라미터를 계산하여 가상의 디스크의 중력 안정성을 평가하였다.
• 위치-속도(PV)도를 분석하여 질량 증가 디스크를 나타내는 킬러피안 유사한 회전 프로파일을 식별하였다.
• 13CO (2–1) 및 H2CO (30,3–20,2)와 같은 분자선 전이를 사용하여 클러스터 내 기류와 회전 운동을 추적하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 성간 클러스터인 IRAS 23033+5951에서 분열의 정도와 계층성은 어떠한가?
• RQ2 가장 질량이 큰 핵 주변에 질량 증가 디스크를 나타내는 도전하는 구조가 존재하는가, 그리고 중력적으로 안정적인가?
• RQ3 동일한 클러스터 내에서 서로 다른 원시은하 단계에서 기류 형태와 콘두르성은 어떻게 진화하는가?
• RQ4 MMS1a 영역에 다수의 고질량 원시은하가 존재하는가에 대한 증거는 무엇인가?
• RQ5 핵의 운동학적 및 열적 성질은 그들의 진화 단계와 어떻게 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 1.37 mm 먼지 연속 방사선은 최소 네 개의 mm 소스를 드러내며, 저질량 핵(MMS1c, 1.2 M☉)과 세 개의 더 질량이 큰 원시은하 핵으로의 계층적 분열을 보인다.
• 핵 MMS2a(11.4 M☉)는 회전이나 기류의 징후가 없으며, 낮은 진화 단계일 가능성이 높으며, 오직 저-excited 상태의 선들(T < 70 K)만 검출되었다.
• 핵 MMS1b(10.0 M☉)는 화학적으로 rich한 방사선을 보이며, PV도에서 킬러피안 유사한 회전 프로파일과 13CO 및 SO에서 콘두르된 기류를 보이며, 투머 안정성 디스크임을 시사한다.
• 핵 MMS1a(23.5 M☉)는 넓은 개구역 기류와 cm 방사선을 보이며, 하나 이상의 고질량 원시은하(HMPO) 존재를 시사한다. 내부 2000 au에서는 디스크가 투머 불안정하다.
• 공간 해상도(~0.45 arcsec ≈ 1900 au)는 고질량 항성의 다중성과 관련된 척도에서의 분열 검출을 제한한다.
• 결과는 고질량 항성 형성에서 디스크 매개된 질량 증가와 기류 진화를 지지하며, 저질량 항성과 유사하지만 더 큰 척도에서 발생한다.