[논문 리뷰] Probing the formation of intermediate- to high-mass stars in protoclusters: A detailed millimeter study of the NGC 2264 clumps

N. Peretto, Ph. André외 1명|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|2005. 08. 29.

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한 줄 요약

이 연구는 밀리미터 파장 연속기와 분자 선 관측을 통해 NGC 2264 프로클러스터 내 거대성 형성에 대해 다루며, NGC 2264-C에서 기울어진 불안정한 덩어리의 대규모 근접 자유낙하 붕괴를 규명한다. 복사전달 모델링은 중심 원시성 C-MM3 쪽으로 높은 질량 유입률(~3×10⁻³ M⊙ yr⁻¹)을 보여주며, 난류로 가득 찬 환경에서 다수의 Class 0 핵들이 중력 융합을 통해 고질량 성(star, ~10–20 M⊙)을 형성하는 것을 지지한다. 이는 융합 모델과 난류 핵 모델 사이의 중간 정도의 상황이다.

ABSTRACT

We present the results of dust continuum and molecular line observations of two massive cluster-forming clumps, NGC 2264-C and NGC 2264-D, including extensive mapping performed with the MAMBO bolometer array and the HERA heterodyne array on the IRAM 30m telescope. Both NGC 2264 clumps are located in the Mon OB1 giant molecular cloud complex, adjacent to one another. Twelve and fifteen compact millimeter continuum sources (i.e. MMSs) are identified in clumps C and D, respectively. Evidence for widespread infall motions is found in, e.g., HCO+(3-2) or CS(3-2) in both NGC 2264-C and NGC 2264-D. A sharp velocity discontinuity ~ 2 km/s in amplitude is observed in N_2H+(1-0) and H^{13}CO+(1-0) in the central, innermost part of NGC 2264-C, which we interpret as the signature of a strong dynamical interaction between two MMSs and their possible merging with the central MMS C-MM3. Radiative transfer modelling supports the idea that NGC 2264-C is a highly unstable prolate clump in the process of collapsing along its long axis on a near free-fall dynamical timescale ~ 1.7x10^5 yr. Our model fit of this large-scale collapse suggests a maximum mass inflow rate ~ 3x10^{-3} Msun/yr toward the central protostellar object C-MM3. Such infall rates are sufficiently high to overcome radiation pressure and allow the formation of ~ 20 Msun stars by accretion in ~ 1.7x10^5 yr, i.e., a time similar to the global dynamical timescale of the central part of NGC 2264-C. We conclude that we are likely witnessing the formation of a high-mass (> 10 Msun) protostar in the central part of NGC 2264-C. Our results suggest a picture of massive star formation intermediate between the scenario of stellar mergers of Bonnell et al. (1998) and the massive turbulent core model of McKee & Tan (2003).

연구 동기 및 목표

• 집단 환경, 특히 프로클러스터에서 중간-고질량 성의 형성 메커니즘을 이해하기 위해.
• 세부적인 운동학적 및 역학적 관측을 통해 경쟁하는 이론 모델—특히 난류 핵 모델과 별 융합 시나리오—를 테스트하기 위해.
• 고밀도, 붕괴하는 덩어리에서 8 M⊙ 이상의 성을 형성하기 위해 복사압을 극복할 수 있는 높은 질량 유입률이 유지되는지 확인하기 위해.
• 대규모 유입, 난류, 역학적 상호작용이 고질량 성 탄생의 初기 조건을 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.
• NGC 2264-C와 NGC 2264-D의 밀리미터 연속기 소스(MMSs)의 물리적 성질과 그들이 원시성과 어떻게 연관되어 있는지 기술하기 위해.

제안 방법

• IRAM 30m 망원경에 장착된 MAMBO 볼로미터 어레이와 HERA 하이브리드 수신기를 사용하여 깊은 밀리미터 파장 먼지 연속기 및 분자 선 관측을 수행하였다.
• 고각해상도로 NGC 2264-C와 NGC 2264-D의 두 개의 거대한 군집 형성 덩어리를 스캔하여 밀리미터 소스(MMSs)를 식별하였다.
• HCO⁺(3–2), CS(3–2), N₂H⁺(1–0), H¹³CO⁺(1–0)의 선 프로파일을 분석하여 유입 운동과 속도 불연속을 탐지하였다.
• NGC 2264-C에서 N₂H⁺(1–0)과 H¹³CO⁺(1–0)에 급격한 속도 불연속(~2 km s⁻¹)이 관측되었으며, 이는 MMSs 간의 역학적 상호작용으로 해석되었다.
• HCO⁺와 CS 선 프로파일에 복사전달 모델링을 적용하여 중심 원시성 C-MM3와 D-MM1 쪽으로의 유입 속도와 질량 유입률을 유도하였다.
• 관측된 운동학적 특성과 질량 유입률을 McKee & Tan의 난류 핵 모델과 Bonnell 등이 제시한 융합 시나리오를 포함한 고질량 성 형성 이론 모델과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고질량 프로클러스터 덩어리에서 복사압을 극복할 수 있는 높은 질량 유입률이 지속 가능한가?
• RQ2 대규모 붕괴와 역학적 상호작용은 고질량 성 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 NGC 2264의 MMSs 운동학적 성질은 ρ Ophiuchi와 같은 잘 알려진 원시성 영역과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 NGC 2264-C에서 관측된 속도 불연속은 원시성 핵의 중력 융합을 나타내는가?
• RQ5 관측된 유입과 난류는 난류 핵 모델과 별 융합 모델의 하이브리드 형성 시나리오를 어느 정도 지지하는가?

주요 결과

• NGC 2264-C에서 12개의 밀리미터 소스(MMSs)가 식별되었으며, 질량 범위는 약 2에서 41 M⊙이며 중앙값은 약 10 M⊙로, NGC 2264-D보다 더 질량이 큰 덩어리임을 시사한다.
• NGC 2264-D에서는 15개의 MMSs가 탐지되었으며, 중앙값 질량은 약 6 M⊙이며 총 기체 질량은 약 1310 M⊙로, 덜 질량이 많지만 여전히 활발한 군집 형성 환경임을 지지한다.
• NGC 2264의 MMSs는 시선 방향 속도 분산이 초음속(~0.7 km s⁻¹)이며, 이는 ρ Ophiuchi의 두 배, Taurus의 다섯 배에 달하여 상당한 난류를 나타낸다.
• NGC 2264-C의 MMSs 중 70%는 충격을 받은 H₂ 제트와 연관되어 있어, 이는 후보 Class 0 원시성임을 시사하며 최근에 매우 효율적인 성형 폭발이 일어났음을 나타낸다.
• NGC 2264-C 중심부에서 N₂H⁺(1–0)과 H¹³CO⁺(1–0)에 급격한 속도 불연속(~2 km s⁻¹)이 관측되었으며, 이는 MMSs가 중심 소스 C-MM3로 융합되는 동적 상호작용으로 해석된다.
• NGC 2264-C에 대한 복사전달 모델링은 기울어진 덩어리의 긴 축을 따라 대규모 근접 자유낙하 붕괴가 일어나며, 역학적 시간 상수는 약 1.7×10⁵ yr, C-MM3 쪽으로 최대 질량 유입률은 약 3×10⁻³ M⊙ yr⁻¹임을 나타낸다.