[논문 리뷰] W51North: A protocluster emerging out of a thermally inhibited fragmenting cloud

Mengyao Tang, Aina Palau외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 15.

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한 줄 요약

이 연구는 W51 IRS2 원시군집 영역에서 열적으로 억제된 환경에서 29개의 구조를 식별한 고해상도(0.028′′, 144 AU) 밀리미터 연속성 데이터를 사용하여 분열 현상을 조사한다. 연구는 200–400 K에서 열적 젠스 과정이 분열을 이끌고 있음을 발견하여 고온 조건임에도 불구하고 구조의 질량과 간격을 설명하며, 1845 AU 이하의 규모에서 선형 클러스터링 구조를 보이는 이중 수준의 계층적 클러스터링을 규명한다. 이는 은하수 클러스터 형성과 일치한다.

ABSTRACT

The fragmentation process in massive star-forming regions is one of the contemporary problems in astrophysics, and several physical processes have been proposed to control the fragmentation including turbulence, magnetic field, rotation, stellar feedback, and gravity. However, the fragmentation process has been poorly studied at small spatial scales well below 1000 AU. We aim to use ALMA (Atacama Large Millimeter and Submillimeter Array) high angular resolution data to identify the fragments in W51 IRS2 and to study the fragmentation properties on a spatial scale of 200 AU. We used ALMA data of W51 IRS2 from three projects, which give an angular resolution of 0.028$^{\prime\prime}$ (144 AU) at millimeter wavelengths. We identified compact fragments by using {\it uv}-range constrained 1.3 mm continuum data. A Mean Surface Density of Companions (MSDC) analysis has been performed to study the separations between fragments. A total number of 33 continuum sources are identified and 29 out of them are defined as fragments in the surveyed region.The MSDC analysis reveals two breaks corresponding to spatial sales of 1845 AU and 7346 AU, indicative of a two-level clustering phenomenon, along with a linear regime below 1845 AU, mostly associated with W51 North, whose slope is consistent with the slope for the clustering regime of other cluster-like regions in the Galaxy. The typical masses and separations of the fragments as well as the relation between density and number of fragments can be explained through a thermal Jeans process operating at high temperatures of 200--400 K, consistent with previous measurements of the temperature in the region, and produced by the nearby massive stars. Therefore, although W51 IRS2 seems to be undergoing a thermally inhibited fragmentation phase, this does not seem to prevent the formation of a protocluster associated with W51 North.

연구 동기 및 목표

• 1000 AU 이하 규모에서 질량이 크고 열적으로 억제된 W51 IRS2 영역의 분열 특성을 조사한다.
• 연속성 소스를 밀도 있게 식별하고, 그들의 공간 분포 및 물리적 특성을 특성화한다.
• 분열이 열적 젠스 과정에 의해 지배되는지, 또는 난류나 자기장과 같은 다른 메커니즘에 의해 지배되는지 확인한다.
• 별성 피드백이 분열을 억제하면서도 여전히 원시군집 형성 가능성을 평가한다.
• 평균 동반자 표면 밀도(MSDA) 분석을 통해 계층적 클러스터링 패턴을 조사하고 다중 척도적 구조를 식별한다.

제안 방법

• 2013.1.00994.S, 2015.1.01596.S, 2017.1.00293.S의 세 프로젝트에서 확보한 ALMA 데이터를 융합하여 해상도가 높은 0.028′′(144 AU)의 합성 빔을 확보한다.
• 3 mm 및 1.3 mm 연속성 이미지에서 스펙트럼 지수 지ap을 생성하여 자유-자유 방출(지수 ~0.2)과-dust 방출(지수 ~2.0)을 구분한다.
• uv 범위 제약 조건을 적용한 1.3 mm 연속성 이미지(uv > 910 kλ)를 제작하여 소규모 구조(<500 AU)를 고립하고 밀집된 구조를 식별한다.
• 12σ 검출 임계값을 적용하여 33개의 공간적으로 구분되는 연속성 소스를 식별하였으며, 그 중 29개는 구조로 분류되었다.
• 다양한 공간 스케일에서의 구조 클러스터링을 연구하기 위해 평균 동반자 표면 밀도(MSDA) 분석을 수행하였다.
• 200–400 K의 온도를 사용하여 젠스 분석을 수행하여 열적 분열 모델과의 일관성을 시험하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1000 AU 이하 공간 스케일에서 W51 IRS2 영역의 분열을 지배하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 근처의 거대 별들이 영역을 200–400 K로 가열하고 있음에도 불구하고, 이는 분열 과정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 W51 IRS2에서 관측된 구조의 클러스터링은 계층적이고 이중 수준의 구조를 따르는가? 만약 그렇다면 어떤 공간 스케일에서 이루어지는가?
• RQ4 관측된 구조 분포는 고온 조건에서 열적 젠스 분열 과정과 일치하는가?
• RQ5 W51 IRS2의 MSDA 플롯 기울기는 다른 은하수 별 형성 영역과 비교해 어떻게 다른가? 이는 분자의 클러스터에서 프랙탈 구조에 대해 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 총 33개의 연속성 소스가 식별되었으며, 그 중 29개는 질량 0.2–2 M⊙ 사이의 구조로 분류되었다.
• 스펙트럼 지수 지도에서 대부분의 영역은 지수 ≈2.0(먼지 방출)를 보였고, W51 d2와 CC1는 지수 ≈0.2를 보여 자유-자유 방출과 부분적으로 투명도가 낮은 상태임을 나타낸다.
• MSDA 분석은 1845 AU와 7346 AU의 두 가지 공간 스케일에서 과잉 밀도를 보이며, 이는 이중 수준의 계층적 분열 과정을 시사한다.
• 1845 AU와 7346 AU 스케일을 기반으로 각각 다섯 개의 소규모 군집(SEs)과 두 개의 대규모 군집(LEs)을 정의하였다.
• 1845 AU 이하의 분리 거리에서 MSDA 플롯에 선형 영역이 관측되었으며, 기울기는 –0.8 ± 0.1이었고, 이는 다른 은하수 클러스터에서 관측된 클러스터링 영역과 일치한다.
• 젠스 분석 결과, 관측된 구조 질량과 간격이 200–400 K에서 작용하는 열적 젠스 과정과 일치함을 확인하여, 열적 억제 조건임에도 불구하고 분열이 설명 가능하다.