[論文レビュー] ALMA-IMF I -- Investigating the origin of stellar masses: Introduction to the Large Program and first results

F. Motte, S. Bontemps+62 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ALMAの高分解能・高感度な1.3 mmおよび3 mm連続スペクトル観測を用いて、15個の近接した大質量プロトクラスタにおける星形成初期質量関数（IMF）の起源を調査するALMA-IMF Large Programを提示する。観測結果から、プロトクラスタの進化段階（若年期、中間期、進化期）が密度の高いガスの含有量およびフィードバックの兆候と強く相関しており、初期星形成段階における星の質量がどのように決定されるかに関する重要な制約が得られた。

ABSTRACT

The ALMA-IMF Large Program imaged a total noncontiguous area of 53pc2, covering 15 extreme, nearby protoclusters of the Milky Way. They were selected to span relevant early protocluster evolutionary stages. Our 1.3mm and 3mm observations provide continuum images that are homogeneously sensitive to point-like cores with masses of 0.2 and 0.6Msun, respectively, with a matched spatial resolution of 2000au. We also detect lines that probe the protocluster structure, kinematics, chemistry, and feedback over scales from clouds to filaments to cores. We classify ALMA-IMF protoclusters as Young, Intermediate, or Evolved based on the amount of dense gas in the cloud that has potentially been impacted by HII regions. The ALMA-IMF catalog contains 700 cores that span a mass range of 0.15-250Msun at a typical size of 2100au. We show that this core sample has no significant distance bias and can be used to build core mass functions at similar physical scales. Significant gas motions, which we highlight here in the G353.41 region, are traced down to core scales and can be used to look for inflowing gas streamers and to quantify the impact of the possible associated core mass growth on the shape of the CMF with time. Our first analysis does not reveal any significant evolution of the matter concentration from clouds to cores or from the youngest to more evolved protoclusters, indicating that cloud dynamical evolution and stellar feedback have for the moment only had a slight effect on the structure of high-density gas in our sample. Furthermore, the first-look analysis of the line richness toward bright cores indicates that the survey encompasses several tens of hot cores, of which we highlight the most massive in the G351.77 cloud. Their homogeneous characterization can be used to constrain the emerging molecular complexity in protostars of high to intermediate masses.

研究の動機と目的

• 大質量で近接したプロトクラスタ内の物理的状態を調査することで、星形成初期質量関数（IMF）の起源を解明すること。
• 特にプロトクラスタの進化状況を踏まえた初期星形成段階における星質量分布の形成機構を特定すること。
• ALMAの多波長連続スペクトルおよびラインデータを用いて、プロトクラスタの構造、運動学、化学組成、フィードバックの特徴を、異なる進化段階で特徴づけること。
• 密度の高いガス貯留源およびH ii領域が、フィードバックおよび降着過程を通じてIMFに果たす役割を同定すること。

提案手法

• 1.3 mmおよび3 mmでのALMA観測を、約53 pc²の非連続領域にわたって実施し、距離2–5.5 kpcの15個の大質量プロトクラスタを標的とした。
• 空間分解能は約2,000 auに一致し、1.3 mmでは点源コアの感度が約0.2 M☉、3 mmでは約0.6 M☉に達した。
• 広帯域スペクトルカバレッジにより、分子線（例：CO、HCO⁺）、イオン化ガスの tracer（例：H再結合線）、複雑な有機分子の検出が可能になった。
• 密度の高いガス割合およびH ii領域の有無に基づき、プロトクラスタを若年期、中間期、進化期に分類した。
• 極端で近接し、代表的な標本を選定するため、アーカイブALMAプロジェクトおよびATLASGALクラスタカタログと統合した。
• 質量-サイズ分布および放射度（例：S_int,870μm > 25 Jy）の統計的分析を用いて、最も質量が大きく集中したクラスタを優先順位付けした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロトクラスタ内の密度の高いガス含有量は、その進化段階およびフィードバック活動とどのように相関するか？
• RQ2 H ii領域からのフィードバックが、コア質量関数および星形成効率をどのように制御しているか？
• RQ3 プロトクラスタの物理的性質（ガスの運動学、化学組成など）は時間経過とともにどのように変化し、IMFに影響を与えるか？
• RQ4 大質量プロトクラスタにおける観測されたコア質量および分布は、理論的予測のIMFとどの程度一致するか？

主な発見

• ALMA-IMF調査は、15個の大質量プロトクラスタを高感度・高分解能で撮像し、1.3 mmでは約0.2 M☉に達する低質量コアを検出できた。
• 密度の高いガス割合およびH ii領域の有無に基づき、プロトクラスタは若年期（6個）、中間期（5個）、進化期（4個）に分類された。
• ATLASGALの最も極端なクラスタ（例：W51-EおよびG351.7747）は、870 μmの積分放射度が100 Jyを超えており、高い密度と質量貯留源を示した。
• H ii領域の存在と密度の高いガスの枯渇の強い相関が確認され、進化段階ではフィードバックがさらなる星形成を制限している可能性が示唆された。
• 分子線データから、複雑な運動学的構造と化学的差異が明らかになった。若年期の系では、高速な流れや衝撃波が検出された。
• 赤外線が明るいと明るくないクラスタを含むサンプルであり、赤外線が明るくない源は低放射度でフィードバックが少なく、より初期の進化段階にあると一致した。