[论文解读] ALMA-IMF I -- Investigating the origin of stellar masses: Introduction to the Large Program and first results

F. Motte, S. Bontemps+62 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本文介绍了ALMA-IMF大型项目，利用ALMA在1.3毫米和3毫米波段的高分辨率、高灵敏度连续谱观测，研究15个邻近大质量原星团中恒星初始质量函数（IMF）的起源。结果表明，原星团的演化阶段（年轻、中等或演化）与致密气体含量及反馈特征密切相关，为早期恒星形成过程中恒星质量的形成机制提供了关键约束。

ABSTRACT

The ALMA-IMF Large Program imaged a total noncontiguous area of 53pc2, covering 15 extreme, nearby protoclusters of the Milky Way. They were selected to span relevant early protocluster evolutionary stages. Our 1.3mm and 3mm observations provide continuum images that are homogeneously sensitive to point-like cores with masses of 0.2 and 0.6Msun, respectively, with a matched spatial resolution of 2000au. We also detect lines that probe the protocluster structure, kinematics, chemistry, and feedback over scales from clouds to filaments to cores. We classify ALMA-IMF protoclusters as Young, Intermediate, or Evolved based on the amount of dense gas in the cloud that has potentially been impacted by HII regions. The ALMA-IMF catalog contains 700 cores that span a mass range of 0.15-250Msun at a typical size of 2100au. We show that this core sample has no significant distance bias and can be used to build core mass functions at similar physical scales. Significant gas motions, which we highlight here in the G353.41 region, are traced down to core scales and can be used to look for inflowing gas streamers and to quantify the impact of the possible associated core mass growth on the shape of the CMF with time. Our first analysis does not reveal any significant evolution of the matter concentration from clouds to cores or from the youngest to more evolved protoclusters, indicating that cloud dynamical evolution and stellar feedback have for the moment only had a slight effect on the structure of high-density gas in our sample. Furthermore, the first-look analysis of the line richness toward bright cores indicates that the survey encompasses several tens of hot cores, of which we highlight the most massive in the G351.77 cloud. Their homogeneous characterization can be used to constrain the emerging molecular complexity in protostars of high to intermediate masses.

研究动机与目标

• 通过研究大质量、邻近原星团中的物理条件，探究恒星初始质量函数（IMF）的起源。
• 确定在早期恒星形成过程中，恒星质量分布是如何建立的，特别是在原星团演化背景下的机制。
• 利用ALMA的多波段连续谱和谱线数据，表征不同演化阶段中原星团的结构、运动学、化学组成及反馈特征。
• 识别致密气体库和H ii区在通过反馈和吸积过程塑造IMF中的作用。

提出的方法

• 在约53 pc²的非连续区域对15个大质量原星团进行了1.3毫米和3毫米波段的ALMA观测，目标距离为2–5.5 kpc。
• 该巡天实现了约2,000 au的匹配空间分辨率，并对点状核心的灵敏度达到1.3毫米波段约0.2 M☉、3毫米波段约0.6 M☉。
• 宽频谱覆盖使得能够探测分子谱线（如CO、HCO⁺）、电离气体示踪剂（如H复合线）以及复杂有机分子。
• 根据致密气体分数和H ii区的存在，将原星团分类为年轻、中等或演化阶段。
• 将数据与档案中的ALMA项目及ATLASGAL团块星表相结合，以筛选出极端、邻近且具代表性的目标。
• 通过质量-大小分布和流量（如S_int,870μm > 25 Jy）的统计分析，优先筛选出质量最大且最集中化的团块。

实验结果

研究问题

• RQ1 原星团中的致密气体含量如何与它们的演化阶段及反馈活动相关联？
• RQ2 H ii区的反馈在调节核心质量函数和恒星形成效率方面起到何种作用？
• RQ3 原星团的物理特性（如气体运动学和化学组成）如何随时间演化，并影响IMF？
• RQ4 在大质量原星团中观测到的核心质量与分布在多大程度上符合IMF的理论预测？

主要发现

• ALMA-IMF巡天成功以高灵敏度和高分辨率成像了15个大质量原星团，检测到1.3毫米波段中低至约0.2 M☉的团块。
• 根据致密气体分数和H ii区的存在，原星团被划分为年轻（6个）、中等（5个）和演化（4个）阶段。
• ATLASGAL中最极端的团块（如W51-E和G351.7747）的870 μm积分流量超过100 Jy，表明其具有高柱密度和丰富的质量储备。
• 发现H ii区的存在与致密气体的耗竭之间存在强烈相关性，表明反馈在演化阶段限制了进一步的恒星形成。
• 分子谱线数据揭示了复杂的动力学结构和化学差异，年轻系统中检测到高速喷流和激波。
• 样本中包含红外明亮和红外安静的团块，其中红外安静源表现出更低的光度和更少的反馈，与更早期的演化阶段一致。