[论文解读] W51North: A protocluster emerging out of a thermally inhibited fragmenting cloud

Mengyao Tang, Aina Palau+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 90被引用 10

一句话总结

本研究利用ALMA的高分辨率（0.028′′，144 AU）毫米波连续谱数据，调查W51 IRS2原恒星团区域的碎片化过程，在热抑制环境下识别出29个碎片。研究发现，碎片化遵循200–400 K温度下的热 Jeans过程，即使在高温条件下也能解释碎片的质量和间距；同时揭示了两级分层聚集结构，在小于1845 AU的尺度上呈现线性聚集特征，与银河系星团形成一致。

ABSTRACT

The fragmentation process in massive star-forming regions is one of the contemporary problems in astrophysics, and several physical processes have been proposed to control the fragmentation including turbulence, magnetic field, rotation, stellar feedback, and gravity. However, the fragmentation process has been poorly studied at small spatial scales well below 1000 AU. We aim to use ALMA (Atacama Large Millimeter and Submillimeter Array) high angular resolution data to identify the fragments in W51 IRS2 and to study the fragmentation properties on a spatial scale of 200 AU. We used ALMA data of W51 IRS2 from three projects, which give an angular resolution of 0.028$^{\prime\prime}$ (144 AU) at millimeter wavelengths. We identified compact fragments by using {\it uv}-range constrained 1.3 mm continuum data. A Mean Surface Density of Companions (MSDC) analysis has been performed to study the separations between fragments. A total number of 33 continuum sources are identified and 29 out of them are defined as fragments in the surveyed region.The MSDC analysis reveals two breaks corresponding to spatial sales of 1845 AU and 7346 AU, indicative of a two-level clustering phenomenon, along with a linear regime below 1845 AU, mostly associated with W51 North, whose slope is consistent with the slope for the clustering regime of other cluster-like regions in the Galaxy. The typical masses and separations of the fragments as well as the relation between density and number of fragments can be explained through a thermal Jeans process operating at high temperatures of 200--400 K, consistent with previous measurements of the temperature in the region, and produced by the nearby massive stars. Therefore, although W51 IRS2 seems to be undergoing a thermally inhibited fragmentation phase, this does not seem to prevent the formation of a protocluster associated with W51 North.

研究动机与目标

• 在亚1000 AU尺度下，研究大质量、热抑制型W51 IRS2区域的碎片化特性。
• 识别紧凑连续谱源，并表征其空间分布与物理性质。
• 确定碎片化是否受热 Jeans 过程控制，或受湍流、磁场等其他机制影响。
• 评估恒星反馈在抑制碎片化的同时，仍允许原恒星团形成的作用。
• 通过平均伴星面密度（MSDC）分析，研究分层聚集模式，以识别多尺度结构。

提出的方法

• 整合三项ALMA项目的数据（2013.1.00994.S, 2015.1.01596.S, 2017.1.00293.S），合成 beam 为0.028′′（144 AU），实现高角分辨率。
• 利用3 mm与1.3 mm连续谱图像生成谱指数图，以区分自由-自由辐射（谱指数≈0.2）与尘埃辐射（指数≈2.0）。
• 生成uv范围受限的1.3 mm连续谱图像（uv > 910 kλ），以隔离小尺度结构（<500 AU），并识别紧凑碎片。
• 应用12σ检测阈值识别出33个空间上独立的连续谱源，其中29个被归类为碎片。
• 进行平均伴星面密度（MSDC）分析，研究碎片在不同空间尺度上的聚集特性。
• 基于200–400 K的温度进行Jeans分析，检验其与热碎片化模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在空间尺度低于1000 AU时，什么物理机制控制着W51 IRS2区域的碎片化？
• RQ2 附近大质量恒星的存在使区域加热至200–400 K，这对碎片化过程有何影响？
• RQ3 W51 IRS2中观测到的碎片聚集是否呈现两级分层结构？如果是，其空间尺度为何？
• RQ4 在高温条件下，观测到的碎片分布是否与热 Jeans 碎片化过程一致？
• RQ5 W51 IRS2的MSDC图斜率与其他银河系星形成区域相比如何？这对我们理解分子云中分形结构有何启示？

主要发现

• 共识别出33个连续谱源，其中29个被归类为碎片，质量范围在0.2至2 M⊙之间。
• 谱指数图显示，大多数区域的谱指数≈2.0（尘埃辐射），而W51 d2与CC1的谱指数≈0.2，表明存在自由-自由辐射及部分光学厚。
• MSDC分析揭示了两个明显的高密度空间尺度：1845 AU与7346 AU，表明存在两级分层碎片化过程。
• 基于1845 AU与7346 AU的尺度，分别定义了五个小尺度团块（SEs）与两个大尺度团块（LEs）。
• 在分离距离小于1845 AU时，MSDC图中观察到线性区域，斜率为–0.8 ± 0.1，与其它银河系星团中观测到的聚集区段一致。
• Jeans分析表明，观测到的碎片质量与间距与在200–400 K下运行的热 Jeans过程一致，解释了尽管存在热抑制，碎片化仍可发生。