[논문 리뷰] Probing the role of protostellar feedback in clustered star formation. Mapping outflows in the collapsing protocluster NGC 2264-C

A. Maury, Ph. André외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 02. 09.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 65인용 수 46

한 줄 요약

이 연구는 IRAM 30m 전파망원경의 12CO(2–1), 13CO(2–1), 및 C18O(2–1) 선 관측을 통해 NGC 2264-C 원시클러스터 내 원시별 분출을 맵핑하며, Class 0 원시별에 의해 구동되는 11개의 분출 림프를 탐지하였다. 국소적 난류에 기여하고 있음에도 불구하고, 분출에서 기인하는 총 운동량 유량은 클러스터가 전반적인 중력 수축에 대비하여 지지되기에 부족하여, 현재는 중력이 다이내믹스를 지배하고 있음을 시사한다. 다만 향후 항성 형성 폭발이 발생할 경우, 피드백 기반의 수축 정지가 일어날 수 있다.

ABSTRACT

The role played by protostellar feedback in clustered star formation is still a matter of debate. In particular, protostellar outflows have been proposed as a source of turbulence in cluster-forming clumps, which may provide support against global collapse for several free-fall times. Here, we seek to test the above hypothesis in the case of the well-documented NGC 2264-C protocluster, byquantifying the amount of turbulence and support injected in the surrounding medium by protostellar outflows. Using the HERA heterodyne array on the IRAM 30m telescope, we carried out an extensive mapping of NGC 2264-C in the three molecular line transitions 12CO(2-1), 13CO(2-1), and C18O(2-1). We found widespread high-velocity 12CO emission, testifying to the presence of eleven outflow lobes, closely linked to the compact millimeter continuum sources previously detected in the protocluster. We carried out a detailed analysis of the dynamical parameters of these outflows, including a quantitative evaluation of the overall momentum flux injected in the cluster-forming clump. These dynamical parameters were compared to the gravitational and turbulent properties of the clump. We show that the population of protostellar outflows identified in NGC 2264-C are likely to contribute a significant fraction of the observed turbulence but cannot efficiently support the protocluster against global collapse. Gravity appears to largely dominate the dynamics of the NGC 2264-C clump at the present time. It is however possible that an increase in the star formation rate during the further evolution of the protocluster will trigger sufficient outflows to finally halt the contraction of the cloud.

연구 동기 및 목표

• 원시별 분출이 클러스터 형성 클러스터를 전반적 중력 수축에 대비하여 지지할 수 있는 충분한 운동량 유량을 제공할 수 있는지 테스트하기 위해.
• NGC 2264-C 원시클러스터 내 난류 및 운동량에 대한 분출의 역다이나믹스 영향을 정량화하기 위해.
• 조밀하고 수축 중인 원시클러스터의 초기 진화 단계에서 원시별 피드백이 항성 형성 조절에 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.
• 분출만으로 관측된 기계적 에너지 및 운동량을 설명할 수 있는지 평가하기 위해, 또는 다른 힘(예: 자석장)이 필요할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• IRAM 30m 전파망원경의 HERA 혼디온 어레이를 사용하여 NGC 2264-C에 대한 고해상도 12CO(2–1), 13CO(2–1), 및 C18O(2–1) 맵핑을 수행하였다.
• 고속도 CO 복사로 분출 림프를 식별하였으며, 유속, 길이, 운동량, 운동량 유량 등의 분출 특성 파악을 위해 운동학적 분석을 실시하였다.
• Bontemps 등(1996)의 경험적 관계 F_flows ∝ M_env를 활용하여, 탐지되지 않은 저질량 소스까지 포함한 원시별 환경으로부터 운동량 유량을 추정하였다.
• P_max = F_max × τ 공식을 사용하여 원시별 수명 기간 동안의 총 운동량 주입량을 계산하였으며, τ ≈ 10^5 yr로 특성적 진화 시간스케일로 간주하였다.
• 클러스터 질량 및 비르발 평형 추정치를 사용하여 총 운동량 유량을 클러스터 지지에 필요한 중력력과 비교하였다.
• 수축이 폭발적 항성 형성으로 이어질 경우의 향후 피드백 가능성을 평가하기 위해 항성 형성률(SFR)과 그에 따른 운동량 주입량을 추정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 2264-C 내 원시별 분출이 클러스터를 전반적 중력 수축에 대비하여 지지할 수 있는 충분한 운동량 유량을 제공할 수 있는가?
• RQ2 NGC 2264-C 내 관측된 및 추정된 분출 집단이 주입하는 총 기계적 파wr와 운동량 유량은 얼마인가?
• RQ3 NGC 2264-C 내 관측된 난류는 원시별 분출에 의해 유도된 난류와 중력 수축에 의한 난류 중 어느 쪽에 더 가까운가?
• RQ4 현재 분출 피드백이 클러스터의 동적 상태를 설명하기에 충분한가, 아니면 추가적인 힘(예: 자석장)이 필요한가?
• RQ5 향후 항성 형성률 증가가 분출 피드백을 통해 NGC 2264-C의 전반적 수축을 결국 정지시킬 수 있는가?

주요 결과

• 11개의 고속도 CO(2–1) 분출 림프가 탐지되었으며, 투영 속도는 약 10 km/s에서 30 km/s 사이, 길이는 약 0.2 pc에서 0.8 pc 사이, 운동량 유량은 약 0.5×10⁻⁵에서 50×10⁻⁵ M⊙.km.s⁻¹.yr⁻¹ 사이였다.
• 구동원이 확인된 3개의 분출—C-MM1, C-MM2, 및 C-MM13—은 일반적인 Class 0 원시별과 일치하며, 환경 질량 M_env ∼2–40 M⊙, 최종 항성 질량 ∼2–8 M⊙였다.
• 분출 네트워크의 총 기계적 파워는 L_tot = 0.7 ± 0.5 L⊙로, 클러스터 내 관측된 난류에 상당한 기여를 하고 있음을 시사한다.
• 탐지되지 않은 저질량 분출까지 고려하여도 총 운동량 유량 F_max ∼5×10⁻³ M⊙.km.s⁻¹.yr⁻¹는 여전히 전반적 수축에 대비하여 지지하기에 거의 한계가 있으며, 약 10배 정도 부족한 것으로 나타났다.
• NGC 2264-C 내 평균 분출 운동량 단위 항성 질량은 약 10 km.s⁻¹로, Nakamura & Li(2007) 시뮬레이션에서 가정된 값의 약 1/5이며, 이는 피드백이 현재는 부족한 상태임을 시사한다.
• 향후 항성 형성 폭발이 발생할 경우 SFR이 약 1.5×10⁻³ M⊙.yr⁻¹로 증가할 수 있으며, 이에 따라 운동량 주입량이 약 15×10⁻³ M⊙.km.s⁻¹.yr⁻¹로 증가할 수 있다—지지에 필요한 수준과 비슷한 주요 기여를 할 수 있음을 시사하며, 이는 향후 피드백이 수축을 정지시킬 수 있음을 시사한다.