[论文解读] Infall and outflow within 400 AU from a high-mass protostar. 3-D velocity fields from methanol and water masers in AFLG 5142

C. Goddi, L. Moscadelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 20被引用 45

一句话总结

本研究利用对AFGL 5142的MM–1核处甲醇和水脉泽的多 epoch VLBI观测，首次直接测量了大质量原恒星周围包层的三维速度场下落运动。结果揭示了一个半径300 AU的包层以5 km s⁻¹的速度下落，下落速率为6×10⁻⁴ n₈ M☉ yr⁻¹，而水脉泽则追踪到一个准直的双极喷流，提供了在亚400 AU尺度下大质量恒星形成过程中同时存在吸积与喷流的最直接证据。

ABSTRACT

Observational signatures of infalling envelopes and outflowing material in early stages of protostellar evolution, and at small radii from the protostar, are essential to progress in the understanding of the mass-accretion process in star formation. In this letter, we report a detailed study of the accretion and outflow structure around a protostar in the well-known high-mass star-forming region AFGL 5142. We focus on the mm source MM-1, which exhibits hot-core chemistry, radio continuum emission, and strong water and methanol masers. Remarkably, our Very Long Baseline Interferometry (VLBI) observations of molecular masers over six years provided us with the 3-D velocity field of circumstellar molecular gas with a resolution of 0.001-0.005 arcseconds and at radii <0.23 arcseconds (or 400 AU) from the protostar. In particular, our measurements of methanol maser emission enabled, for the first time, a direct measurement of infall of a molecular envelope (radius of 300 AU and velocity of 5 km/s) onto an intermediate- to high-mass protostar. We estimate an infall rate of 0.0006 n_8 Msun/year, where n_8 is the ambient volume density in units of 10^8 cm-3 (required for maser excitation). In addition, our measurements of water maser (and radio continuum) emission identify a collimated bipolar molecular outflow (and ionized jet) from MM-1. The evidence of simultaneous accretion and outflow at small spatial scales, makes AFGL 5142 an extremely compelling target for high-angular resolution studies of high-mass star formation.

研究动机与目标

• 直接测量大质量原恒星附近区域的下落运动，该区域被认为是吸积过程占主导地位的区域。
• 在亚400 AU尺度上解析包层气体的动力学，这是理论吸积与喷流模型受到最严格检验的区域。
• 确定下落与喷流是否在小半径区域共存，并量化其速率与空间结构。
• 利用脉泽速度场作为探测手段，评估磁场与角动量守恒在内层包层动力学中的作用。

提出的方法

• 对6.669 GHz CH₃OH脉泽和22.235 GHz H₂O脉泽进行多 epoch甚长基 baseline 干涉测量（VLBI），以亚毫角秒分辨率测量三维速度场。
• 利用脉泽辐射作为运动学示踪剂，重建包层气体的三维速度结构，假设脉泽所处气体密度与周围气体相近。
• 使用球对称下落模型拟合脉泽位置与径向速度，以推导下落速率与包层质量。
• 将脉泽速度与VLA的射电连续成分进行比较，以识别电离喷流与喷流结构。
• 基于推导出的速度场及脉泽激发所需气体密度假设，估算质量下落率与质量损失率。
• 将脉泽数据进行天体测量对齐，与尘埃连续成分及分子线数据结合，以约束中心原恒星位置与包层几何结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在半径<400 AU的区域直接测量大质量原恒星内层包层的下落运动？
• RQ2 原恒星附近包层气体的三维速度结构如何？是否同时表现出下落与喷流的迹象？
• RQ3 内层包层的质量下落率与质量损失率分别是多少？二者如何比较？
• RQ4 基于脉泽运动学，是否存在内层区域旋转盘的证据？
• RQ5 磁场与角动量守恒如何影响观测到的动力学行为？

主要发现

• 首次利用CH₃OH脉泽直接测量到一个半径300 AU、以5 km s⁻¹速度下落至中等至大质量原恒星的包层。
• 推导出的下落速率为6×10⁻⁴ n₈ M☉ yr⁻¹，其中n₈为以10⁸ cm⁻³为单位的环境体积密度，该密度是脉泽激发所必需的。
• 水脉泽追踪到一个准直的双极喷流，射电连续成分显示存在电离喷流，证实喷流活动活跃。
• 喷流与下落速率在相同气体密度下保持一致，表明质量损失/下落速率比对密度不确定性的敏感度较低。
• 下落包层的总气体质量估计为4 M☉，与尘埃连续成分测量的3 M☉一致。
• 脉泽运动学暗示可能存在一个半径小于300 AU的紧凑旋转盘，尽管在300 AU处下落主导了速度场，且干涉数据支持一个沿喷流轴向的600 AU尺度拉长结构。