[논문 리뷰] PROSAC: A Submillimeter Array survey of low-mass protostars. II. The mass evolution of envelopes, disks, and stars from the Class 0 through I stages

J. K. Jørgensen, E. F. van Dishoeck외 6명|Max Planck Digital Library|2009. 09. 18.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 90인용 수 136

한 줄 요약

이 연구는 20개의 저질량 Class 0 및 I 원성성성성성에 대한 고해상도 Submillimeter Array (SMA) 연속 및 HCO⁺ 3–2 선 관측을 통해-dust 복사전달 모델링을 이용해 양성성성성성, 디스크, 항성 질량을 분리한다. 연구 결과, 디스크는 조기에 형성되고 빠르게 질량을 축적하며 Class 0에서 I 단계로 이르러도 질량이 안정된다는 것이 밝혀졌고, Class I 원성성성성에서 항성 질량은 총 시스템 질량의 70–98%에 이르며, 이는 디스크-항성 질량 비율을 과도하게 예측하는 모델에 도전하는 바이다.

ABSTRACT

The key question about early protostellar evolution is how matter is accreted from the large-scale molecular cloud, through the circumstellar disk onto the central star. A sample of 20 Class 0 and I protostars has been observed in continuum at (sub)millimeter wavelengths at high angular resolution with the Submillimeter Array. Using detailed dust radiative transfer models, we have developed a framework for disentangling the continuum emission from the envelopes and disks, and from that estimated their masses. For the Class I sources in the sample, HCO+ 3-2 line emission has furthermore been observed with the Submillimeter Array. Four of these sources show signs of Keplerian rotation, constraining the masses of the central stars. Both Class 0 and I protostars are surrounded by disks with typical masses of about 0.05 M_sun. No evidence is found for a correlation between the disk mass and evolutionary stage of the young stellar objects. This contrasts the envelope mass, which decreases sharply from 1 M_sun in the Class 0 stage to <0.1 M_sun in the Class I stage. Typically, the disks have masses that are 1-10% of the corresponding envelope masses in the Class 0 stage and 20-60% in the Class I stage. For the Class I sources for which Keplerian rotation is seen, the central stars contain 70-98% of the total mass in the star-disk-envelope system, confirming that these objects are late in their evolution through the embedded protostellar stages. Theoretical models tend to overestimate the disk masses relative to the stellar masses in the late Class I stage. The results argue in favor of a picture in which circumstellar disks are formed early during the protostellar evolution and rapidly process material accreted from the larger scale envelope onto the central star.

연구 동기 및 목표

• 저질량 원성성성성에서 Class 0에서 I 단계에 이르는 전 과정 동안 양성성성성성, 디스크, 중심 항성의 질량을 제약하기 위해.
• 직접적으로 항성-디스크-양성성성성성 시스템 내 질량 분포를 측정하여 원성성성성 진화 이론 모델을 시험하기 위해.
• 디스크 질량이 Class 0에서 Class I 단계로 이르러서 크게 변화하는지, 또는 디스크 역학이 안정된 회전으로 지배되는 구조를 나타내는지 조사하기 위해.
• 일부 Class I 원성성성성에서 HCO⁺ 3–2 선 프로파일의 케플러 운동을 이용해 중심 항성 질량을 결정하기 위해.
• 현재 이론 모델이 디스크, 항성, 양성성성성성 간 관측된 질량 비율을 재현하는 데 얼마나 타당한지 평가하기 위해.

제안 방법

• Submillimeter Array (SMA)를 사용해 20개의 Class 0 및 I 원성성성성에 대해 일반적으로 2″의 고각해상도 (sub)미리터 연속 관측을 수행하였다.
• 간섭계 연속 방출을 양성성성성성과 디스크 기여도로 분해하기 위해 세밀한 먼지 복사전달 모델을 적용하였다.
• 유량 보정 및 공간 동적 범위 향상을 위해 SMA 데이터와 단일 안테나 연속 관측 데이터를 융합하였다.
• Class I 원성성성성에서 HCO⁺ 3–2 선 방출을 이용해 케플러 운동을 식별하여 중심 항성의 천체역학적 질량 추정치를 도출하였다.
• 케플러 운동을 보인 소스에 대해 운동선형에서 항성 질량을 유도하고 총 시스템 질량과 비교하였다.
• Visser 등(2009)의 디스크 형성과 양성성성성성 축적이 포함된 원성성성성 진화 이론 모델과 관측된 질량 분포를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 디스크 질량은 Class 0에서 Class I 단계로 이르러서 크게 변화하는가, 아니면 조기에 형성되어 결정되는가?
• RQ2 Class I 단계에 도달했을 때 초기 핵 질량의 몇 퍼센트가 중심 항성에 축적되었는가?
• RQ3 Class I 원성성성성에서 중심 항성 질량은 원성성성성 진화 이론 모델과 일치하는가?
• RQ4 디스크 형성과 성장이 포함된 모델의 예측과 관측된 디스크 질량과 항성 질량이 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 밀도 높은 기체 선에서의 케플러 운동을 이용해 깊이 매몰된 원성성성성에서 중심 항성 질량을 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• Class 0 및 Class I 원성성성성에서 원성성성성성 주위 디스크의 일반적인 질량은 약 ~0.05 M☉이며, Class 0에서 Class I 단계로 이르러도 유의미한 증가가 없다.
• 양성성성성성 질량은 Class 0 원성성성성에서 약 ~1 M☉에서 시작해 Class I 원성성성성에서는 <0.1 M☉로 급격히 감소하여 빠른 양성성성성성 소멸을 시사한다.
• Class 0 원성성성성에서 디스크 질량은 양성성성성성 질량의 1–10%이며, Class I 원성성성성에서는 20–60%에 이르며, 시간이 지남에 따라 디스크의 지배력 증가를 나타낸다.
• 케플러 운동을 보인 4개의 Class I 원성성성성에서 중심 항성 질량은 0.3–2.5 M☉이며, 총 시스템 질량의 70–98%를 차지하여 후기 단계 진화를 시사한다.
• 이론 모델은 후기 Class I 단계에서 항성 질량 대비 디스크 질량을 과도하게 예측하고 있어, 모델 개선이 필요하다는 것을 시사한다.
• 결과는 디스크가 조기에 형성되고 양성성성성성에서 물질을 급속히 축적하며, 에피소딕 축적과 밝기 문제의 해결과 일치하는 시나리오를 지지한다.