[论文解读] Effects of magnetic field orientations in dense cores on gas kinematics in protostellar envelopes

Aashish Gupta, Hsi-Wei Yen+17 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用 9

一句话总结

本研究调查了密集原恒星核中磁场与自转轴之间的错位如何影响包层中的气流动力学。利用位于猎户座星云中32个0型/I型原恒星的高分辨率SMA C18O和JCMT BISTRO偏振数据，研究发现在1,000 au和4,000 au尺度上，速度梯度与磁场-喷流错位之间无显著相关性。然而，在将旋转运动归一化以扣除吸积影响后，该比值随错位角增大而上升，表明磁场错位可增强角动量向包层的传输，尽管质量吸积率也起着关键作用。在修正投影效应后，结果依然成立，表明在1,000–100 au范围内存在显著的角动量损失。

ABSTRACT

Theoretically, misalignment between the magnetic field and rotational axis in a dense core is considered to be dynamically important in the star formation process, however, extent of this influence remains observationally unclear. For a sample of 32 Class 0 and I protostars in the Perseus Molecular Cloud, we analyzed gas motions using C$^{18}$O data from the SMA MASSES survey and the magnetic field structures using 850 $\mu$m polarimetric data from the JCMT BISTRO-1 survey and archive. We do not find any significant correlation between the velocity gradients in the C$^{18}$O emission in the protostellar envelopes at a 1,000 au scale and the misalignment between the outflows and magnetic field orientations in the dense cores at a 4,000 au scale, and there is also no correlation between the velocity gradients and the angular dispersions of the magnetic fields. However, a significant dependence on the misalignment angles emerges after we normalize the rotational motion by the infalling motion, where the ratios increase from $\lesssim1$ to $\gtrsim1$ with increasing misalignment angles. This suggests that the misalignment could prompt angular momentum transportation to the envelope scale but is not a dominant factor in determining the envelope rotation, and other parameters, like mass accretion in protostellar sources, also play an important role. These results remain valid after taking into account projection effects. The comparison between our estimated angular momentum in the protostellar envelopes and the sizes of the known protostellar disks suggests that significant angular momentum is likely lost between radii of $\sim$1,000-100 au in protostellar envelopes.

研究动机与目标

• 确定密集原恒星核中磁场方向与自转轴之间的动力学影响对气体动力学的作用。
• 评估原恒星核尺度磁场与喷流轴之间的错位是否与包层中的速度梯度相关。
• 通过将归一化旋转运动作为代理指标，研究错位系统中角动量传输是否增强。
• 通过校正三维几何中的投影效应，验证观测到的相关性。
• 估算原恒星包层中的角动量损失，并推断原行星盘形成条件。

提出的方法

• 分析SMA MASSES调查中C18O (2–1)发射线数据，空间分辨率达~600 au，以测量约1,000 au尺度上原恒星包层中的速度梯度。
• 利用JCMT BISTRO-1调查及档案中的850 µm偏振数据，空间分辨率达~3,500 au，以绘制原恒星核尺度磁场方向。
• 将速度梯度的大小和方向与喷流轴（作为自转轴的代理）及磁场方向进行比较，以计算错位角。
• 应用三维几何投影模型，通过喷流和磁场矢量的倾角α和β，校正视线方向引起的观测二维错位角。
• 计算归一化旋转速度梯度（VGrot/VGinf），以将旋转运动与吸积运动分离。
• 在不同假设的倾角分布（余弦分布、正态分布、均匀分布）下测试相关性的稳健性，报告中位数结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在4,000 au尺度上，原恒星包层中的速度梯度与喷流和磁场之间的错位角之间是否存在显著相关性？
• RQ2 磁场错位是否通过归一化旋转运动表明增强了向包层的角动量传输？
• RQ3 投影效应如何影响观测到的错位角及其与动力学特征的相关性？
• RQ4 在观测到的错位依赖性背景下，质量吸积率及其他参数在决定包层旋转中的作用是什么？
• RQ5 基于包层动力学和原行星盘尺寸估计，从1,000 au到100 au半径范围内，角动量损失量有多大？

主要发现

• 在1,000 au和4,000 au尺度上，C18O发射线中的速度梯度与磁场-喷流错位角之间未发现显著相关性。
• 在4,000 au尺度上，未观察到速度梯度与磁场方向角分散之间的显著相关性。
• 在将旋转运动归一化以扣除吸积运动后，旋转与吸积速度梯度的比值随错位角增大而从≲1上升至≳1，表明角动量传输增强。
• 在修正投影效应后，该错位依赖性依然显著，中位数三维错位角范围为43°至58°，具体取决于假设的倾角分布。
• 估算的原恒星包层中角动量与已知原行星盘的尺寸不一致，表明在~1,000 au至~100 au半径范围内存在显著的角动量损失。
• 结果表明，尽管磁场错位促进角动量传输，但并非包层旋转的主导因素；质量吸积率及其他参数也起着关键作用。