[논문 리뷰] Infall and outflow within 400 AU from a high-mass protostar. 3-D velocity fields from methanol and water masers in AFLG 5142

C. Goddi, L. Moscadelli외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 10. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 20인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 AFGL 5142의 MM–1 핵을 향한 메탄올 및 물 마저를 이용한 다중 에포크 VLBI 관측을 통해 고질량 원형성성성주변의 순환성환경에서의 직접적인 3차원 속도장 측정을 처음으로 수행한다. 이는 300 AU 반경의 환경이 5 km s⁻¹ 속도로 수축하고 있으며, 수축률은 6×10⁻⁴ n₈ M☉ yr⁻¹이다. 반면 물 마저는 콘두된 이중성 분출을 나타내며, 고질량 성형에서 400 AU 이내 척도에서 동시적인 수축과 분출을 가장 직접적으로 뒷받침하는 증거를 제공한다.

ABSTRACT

Observational signatures of infalling envelopes and outflowing material in early stages of protostellar evolution, and at small radii from the protostar, are essential to progress in the understanding of the mass-accretion process in star formation. In this letter, we report a detailed study of the accretion and outflow structure around a protostar in the well-known high-mass star-forming region AFGL 5142. We focus on the mm source MM-1, which exhibits hot-core chemistry, radio continuum emission, and strong water and methanol masers. Remarkably, our Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations of molecular masers over six years provided us with the 3-D velocity field of circumstellar molecular gas with a resolution of 0.001-0.005 arcseconds and at radii <0.23 arcseconds (or 400 AU) from the protostar. In particular, our measurements of methanol maser emission enabled, for the first time, a direct measurement of infall of a molecular envelope (radius of 300 AU and velocity of 5 km/s) onto an intermediate- to high-mass protostar. We estimate an infall rate of 0.0006 n_8 Msun/year, where n_8 is the ambient volume density in units of 10^8 cm-3 (required for maser excitation). In addition, our measurements of water maser (and radio continuum) emission identify a collimated bipolar molecular outflow (and ionized jet) from MM-1. The evidence of simultaneous accretion and outflow at small spatial scales, makes AFGL 5142 an extremely compelling target for high-angular resolution studies of high-mass star formation.

연구 동기 및 목표

• 고질량 원형성성주 주변의 가장 내부 영역에서 수축 운동을 직접 측정하고자 한다. 여기서는 수축 과정이 지배적일 것으로 예상된다.
• 400 AU 이내 척도에서 순환성 기체의 운동학을 해결하고자 하며, 이는 수축 및 분출 이론 모델이 가장 엄격하게 시험되는 영역이다.
• 작은 반경에서 수축과 분출이 동시에 존재하는지 확인하고, 그 비율과 공간적 구조를 정량화하고자 한다.
• 마저 운동학을 활용하여 자기장과 회전 운동이 내부 환경의 역학을 어떻게 결정하는지 평가하고자 한다.

제안 방법

• 6.669 GHz CH₃OH 마저와 22.235 GHz H₂O 마저에 대한 다중 에포크 매우 긴 기지 간섭계(VLBI) 관측을 통해 밀리초각 이내 해상도로 3차원 속도장을 측정한다.
• 마저 방출을 운동학적 추적자로 활용하여, 유사한 밀도를 가진 기체를 추적함으로써 순환성 기체의 3차원 속도 구조를 재구성한다.
• 구형 수축 모델을 사용하여 마저의 위치와 축방향 속도를 모델링함으로써 수축률과 환경 질량을 유도한다.
• 마저 속도를 VLA의 전파 연속 방출과 비교하여 이온화된 제트와 분출 구조를 식별한다.
• 마저 활성화 조건에 대한 기체 밀도 가정과 함께 유도된 속도장을 사용하여 질량 수축률과 질량 손실률을 추정한다.
• 마저 데이터의 천문학적 정렬을-dust 연속 방출 및 분자선 데이터와 비교하여 중심 원형성성주의 위치와 환경 기하학을 제약한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 400 AU 이내 반경에서 고질량 원형성성주 주변의 내부 환경에서 수축 운동을 직접 측정할 수 있는가?
• RQ2 원형성성주 주변의 순환성 기체의 3차원 속도 구조는 어떻게 되며, 동시에 수축과 분출의 징후를 보이는가?
• RQ3 내부 환경에서의 질량 수축률과 질량 손실률은 각각 얼마이며, 상호 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 마저 운동학적 데이터를 바탕으로 내부 영역에서의 회전 디스크 존재 여부에 대한 증거가 있는가?
• RQ5 자기장과 운동량 보존 원리가 관측된 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• CH₃OH 마저를 이용하여 중간질량에서 고질량 원형성성주에 대해 300 AU 반경의 순환성 환경이 5 km s⁻¹ 속도로 수축하고 있음을 처음으로 직접 측정하였다.
• 유도된 수축률은 6×10⁻⁴ n₈ M☉ yr⁻¹이며, 여기서 n₈는 마저 활성화에 필요한 기체 밀도(단위: 10⁸ cm⁻³)이다.
• 물 마저는 콘두된 이중성 분출을 추적하며, 전파 연속 방출은 이온화된 제트를 나타내어 활성 분출 활동을 확인한다.
• 분출과 수축률이 유사한 기체 밀도를 가정할 경우 일치하며, 이는 질량 손실/수축률 비율이 밀도 불확실성에 덜 민감함을 시사한다.
• 수축하는 환경의 총 기체 질량은 4 M☉로 추정되며, 이는 3 M☉의 먼지 연속 방출 측정치와 일치한다.
• 마저 운동학적 데이터는 약 300 AU 이내에서 가능한 밀도 높은 회전 디스크 존재를 시사하지만, 300 AU에서 수축 운동이 속도장의 주요 기여를 차지하며, 간섭계 데이터는 분출 축에 따라 정렬된 약 600 AU 척도의 연장된 구조를 지지한다.