[论文解读] Dynamics of cluster-forming hub-filament systems: The case of the high-mass star-forming complex Monoceros R2

S. P. Treviño-Morales, A. Fuente+16 more|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 123被引用 24

一句话总结

本研究利用IRAM-30m望远镜的13CO和C18O谱线数据以及赫歇尔望远镜的尘埃柱密度图，研究了附近大质量恒星形成区——御夫座R2星流-丝状体系统的动力学演化。研究发现，当考虑非热运动时，主要丝状结构为热超临界或跨临界状态，物质向星流中心的吸积速率为10⁻⁴–10⁻³ M☉ yr⁻¹，并在中心星流区域揭示了类似螺旋状的旋转结构，与物质下落和旋转运动一致，表明该系统已进入动力学演化阶段，其质量加倍 timescale 约为2.5 Myr。

ABSTRACT

High-mass stars and star clusters commonly form within hub-filament systems. Monoceros R2, harbors one of the closest such systems, making it an excellent target for case studies. We investigate the morphology, stability and dynamical properties of the hub-filament system on basis of 13CO and C18O observations obtained with the IRAM-30m telescope and H2 column density maps derived from Herschel dust emission observations. We identified the filamentary network and characterized the individual filaments as either main (converging into the hub) or secondary (converging to a main filament) filaments. The main filaments have line masses of 30-100 Msun/pc and show signs of fragmentation. The secondary filaments have line masses of 12-60 Msun/pc and show fragmentation only sporadically. In the context of Ostriker's hydrostatic filament model, the main filaments are thermally super-critical. If non-thermal motions are included, most of them are trans-critical. Most of the secondary filaments are roughly trans-critical regardless of whether non-thermal motions are included or not. From the main filaments, we estimate a mass accretion rate of 10(-4)-10(-3) Msun/pc into the hub. The secondary filaments accrete into the main filaments with a rate of 0.1-0.4x10(-4) Msun/pc. The main filaments extend into the hub. Their velocity gradients increase towards the hub, suggesting acceleration of the gas. We estimate that with the observed infall velocity, the mass-doubling time of the hub is ~2.5 Myr, ten times larger than the free-fall time, suggesting a dynamically old region. These timescales are comparable with the chemical age of the HII region. Inside the hub, the main filaments show a ring- or a spiral-like morphology that exhibits rotation and infall motions. One possible explanation for the morphology is that gas is falling into the central cluster following a spiral-like pattern.

研究动机与目标

• 理解御夫座R2星流-丝状体系统这一邻近大质量恒星形成复合体的形态、动力学和稳定性特性。
• 利用观测运动学数据，确定主要丝状结构和次级丝状结构的线质量及其临界性（热与非热）。
• 估算次级丝状结构向主要丝状结构以及主要丝状结构向中心星流的物质吸积速率。
• 研究中心星流的动力学与形态结构，特别是旋转和下落运动的存在。
• 通过比较质量加倍 timescale 与自由下落时间及H II区的化学年龄，评估星流的动力学年龄。

提出的方法

• 应用DisPerSE算法处理赫歇尔望远镜的H₂柱密度图，以识别并表征御夫座R2中的丝状网络结构。
• 利用IRAM-30m望远镜获取的13CO和C18O (1→0) 与 (2→1) 谱线发射数据，沿丝状结构推导出速度、线宽和光学厚度分布。
• 基于Ostriker的静态丝状体模型，结合热与非热速度弥散，计算丝状结构的线质量并评估其临界性。
• 通过速度梯度与柱密度结构估算向星流中心及丝状结构沿线的物质吸积速率。
• 将中心星流的形态建模为螺旋或环状结构，并通过位置-速度图与速度梯度分析其动力学特性。
• 通过比较观测到的下落速度与总质量，计算星流的质量加倍 timescale，并与自由下落时间进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 御夫座R2星流-丝状体系统中主要丝状结构和次级丝状结构的形态与动力学特性是什么？
• RQ2 热运动与非热运动如何影响丝状结构的临界性？它们是否处于引力不稳定状态？
• RQ3 次级丝状结构向主要丝状结构以及主要丝状结构向中心星流的物质吸积速率是多少？
• RQ4 中心星流中存在哪些动力学特征（如旋转、下落）？它们对星流的动力学状态有何含义？
• RQ5 观测到的星流质量加倍 timescale 与自由下落时间及H II区的化学年龄相比如何？

主要发现

• 御夫座R2中的主要丝状结构线质量为30–100 M☉ pc⁻¹，为热超临界状态；当考虑非热运动时，变为跨临界状态。
• 次级丝状结构的线质量为12–60 M☉ pc⁻¹，无论是否考虑非热运动，均大致处于跨临界状态。
• 中心星流的物质吸积速率估计为10⁻⁴–10⁻³ M☉ yr⁻¹，其中次级丝状结构的贡献速率为0.1–0.4 × 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹。
• 主要丝状结构中的速度梯度朝向星流中心增加，表明气体正在加速，与物质下落运动一致。
• 中心星流表现出环状或螺旋状形态，叠加有旋转与下落运动，表明气体沿螺旋路径向星团内流动。
• 星流的质量加倍 timescale 约为2.5 Myr，是自由下落时间的十倍，表明该系统动力学上已较古老，与H II区的化学年龄一致。