[论文解读] Unifying low and high mass star formation through density amplified hubs of filaments

M. S. N. Kumar, P. Palmeirim+2 more|Springer Link (Chiba Institute of Technology)|Aug 1, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 133被引用 8

一句话总结

本文提出了一种统一的“丝状物到星团”范式，即低质量和大质量恒星均在星团-丝状系统（HFSs）中形成：低质量恒星在丝状物中缓慢形成，而大质量恒星则在密度增强的星团中快速形成。这些星团由汇聚的丝状物形成，柱密度可增强达十倍，从而驱动质量吸积，并通过聚焦的引力坍缩和反馈耗散进入丝状物之间的空隙，使最重的恒星（>100 M☉）得以形成。

ABSTRACT

Context: Star formation takes place in giant molecular clouds, resulting in mass-segregated young stellar clusters composed of Sun-like stars, brown dwarves, and massive O-type(50-100\msun) stars. Aims: To identify candidate hub-filament systems (HFS) in the Milky-Way and examine their role in the formation of the highest mass stars and star clusters. Methods: Filaments around ~35000 HiGAL clumps that are detected using the DisPerSE algorithm. Hub is defined as a junction of three or more filaments. Column density maps were masked by the filament skeletons and averaged for HFS and non-HFS samples to compute the radial profile along the filaments into the clumps. Results: ~3700~(11\%) are candidate HFS of which, ~2150~(60\%) are pre-stellar, ~1400~(40\%) are proto-stellar. All clumps with L>10^4 Lsun and L>10^5 Lsun at distances respectively within 2kpc and 5kpc are located in the hubs of HFS. The column-densities of hubs are found to be enhanced by a factor of ~2 (pre-stellar sources) up to ~10 (proto-stellar sources). Conclusions: All high-mass stars preferentially form in the density enhanced hubs of HFS. This amplification can drive the observed longitudinal flows along filaments providing further mass accretion. Radiation pressure and feedback can escape into the inter-filamentary voids. We propose a "filaments to clusters" unified paradigm for star formation, with the following salient features: a) low-intermediate mass stars form in the filaments slowly (10^6yr) and massive stars quickly (10^5yr) in the hub, b) the initial mass function is the sum of stars continuously created in the HFS with all massive stars formed in the hub, c) Feedback dissiption and mass segregation arise naturally due to HFS properties, and c) explain age spreads within bound clusters and formation of isolated OB associations.

研究动机与目标

• 在银河系中识别星团-丝状系统（HFSs），并确定其在形成最重恒星中的作用。
• 研究HFS中密度增强的星团如何驱动质量吸积并维持大质量恒星形成。
• 在一个统一的框架内调和低质量与大质量恒星形成时间尺度的差异。
• 通过HFS结构与动力学解释年轻星团中质量分异、反馈耗散和年龄弥散现象。
• 检验所有大质量恒星优先在HFS星团中形成，且反馈逃逸至丝状物间空隙的假设。

提出的方法

• 利用赫歇尔HiGAL巡天，识别出在至少四个波段达到3σ的35,000个团块，聚焦于SPIRE 250 μm图像的10′×10′裁剪区域。
• 应用DisPerSE算法检测最小长度为55″（3×18″波束）且至少18″位于团块内的丝状物骨架。
• 将星团定义为三条或更多丝状物的交汇点，利用丝状物骨架进行掩膜并计算柱密度图。
• 计算HFS与非HFS样本中沿丝状物进入团块的径向柱密度剖面，以量化密度增强程度。
• 分析NGC2264和W40的档案赫歇尔SPIRE数据，验证HFS范式在不同演化阶段的适用性。
• 生成大范围彩色合成图像，突出显示W40中柱状结构和HII区形态，与辐射驱动反馈一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 最重的恒星（>100 M☉）是否优先在星团-丝状系统（HFSs）的密度增强星团中形成？
• RQ2 沿丝状物的纵向流如何促进质量向星团吸积并维持大质量恒星形成？
• RQ3 反馈（辐射、电离、恒星风）在塑造HFS结构和促进致密星团中恒星形成方面起什么作用？
• RQ4 HFS结构如何自然导致年轻星团中的质量分异和年龄弥散？
• RQ5 初始质量函数（IMF）能否被解释为丝状物中连续形成恒星与星团中恒星形成的总和，且星团中具有上重的成分？

主要发现

• 在HiGAL星表的35,000个团块中，约11%（3,700个）为候选星团-丝状系统（HFSs），其中60%（2,150个）为预星团，40%（1,400个）为原星团。
• HFS中丝状物的平均长度为10–20 pc，质量约为~5×10⁴ M☉，线质量约为~2×10³ M☉ pc⁻¹。
• 在2 kpc内光度>10⁴ L☉，或在5 kpc内光度>10⁵ L☉的所有团块均位于HFS星团中，表明与大质量恒星形成存在强烈相关性。
• 预星团团块的星团柱密度增强约2倍，原星团团块的星团柱密度增强达约10倍，表明存在显著的质量集中。
• HFS范式通过密度放大和向星团的纵向质量流，解释了最重恒星（如η Carinae，约120 M☉）的形成。
• 大质量恒星的反馈由于星团的扁平、磁化丝状结构而逃逸至丝状物之间的空隙，从而最小化对持续吸积的干扰。