[论文解读] An ISOCAM Absorption Survey of the Structure of Pre-stellar Cloud Cores

A. Bacmann, P. André+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2000

Astronomy and Astrophysical Research被引用 5

一句话总结

本研究利用中红外ISOCAM吸收成像技术，在6角秒的分辨率下对24个预恒星核进行观测，以弥散背景为参考，揭示其柱密度分布轮廓在中心区域趋于平坦（平坦于$N_{H_2} \propto r^{-1}$），并在5,000–10,000 AU以外区域变陡，其中至少三个核心在15,000–30,000 AU处表现出清晰的边缘。这些边缘表明存在有限的质量储备，支持恒星质量主要在预恒星阶段即已确定的观点。

ABSTRACT

We present the results of a mid-infrared (7 micron) imaging survey of a sample of 24 starless dense cores carried out at an angular resolution of 6 arcsec with the ISOCAM camera aboard the Infrared Space Observatory (ISO). The targeted cores are believed to be pre-stellar in nature and to represent the initial conditions of low-mass, isolated star formation. In previous submillimeter dust continuum studies of such pre-stellar cores, it was found that the derived column density profiles did not follow a single power-law such as N[H2] \propto r^(-1) throughout their full extent but flattened out near their center. These submillimeter observations however could not constrain the density profiles at radii greater than ~ 10000 AU. The present absorption study uses ISOCAM's sensitivity to map these pre-stellar cores in absorption against the diffuse mid-infrared background. The goal was to determine their structure at radii that extend beyond the limits of sensitivity of the submillimeter continuum maps and at twiceas good an angular resolution. Among the 24 cores observed in our survey, a majority of them show deep absorption features. The starless cores studied here all show a column density profile that flattens in the center, which confirms the submillimeter emission results. Moreover, beyond a radius of ~ 5000-10000 AU, the typical column density profile steepens with distance from core center and gets steeper than N[H2] \propto r^(-1), until it eventually merges with the low-density ambient molecular cloud. At least three of the cores present sharp edges at R ~ 15000-30000 AU and appear to be decoupled from their parent clouds, providing finite reservoirs of mass for subsequent star formation.

研究动机与目标

• 确定亚毫米连续谱图无法覆盖的敏感度极限之外的预恒星核径向结构。
• 探究孤立恒星形成理论模型是否与无星核心的初始密度分布一致。
• 通过探测核心外区，评估恒星形成可用的质量储备是有限还是无限。
• 检验观测到的结构是否支持恒星初始质量函数在坍缩前阶段即已确定的模型。

提出的方法

• 利用ISO上的ISOCAM在7 μm波段进行中红外（6角秒角分辨率）成像，探测相对于弥散中红外背景的吸收特征。
• 在24个观测场中的23个中识别出吸收特征，证实了致密冷核物质在背景中的吸收。
• 将ISOCAM的亮度轮廓与1.3 mm连续谱及谱线数据的独立约束相结合，推导出径向柱密度分布。
• 采用去投影技术估算真实径向分布，考虑倾角和几何效应的影响。
• 将观测到的分布与理论模型进行比较，包括奇异等温球和双向扩散模型。
• 评估陡峭外区分布对有限质量储备及原恒星吸积动力学的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 预恒星核是否表现出如亚毫米连续谱研究所示的中心区域平坦的柱密度分布？
• RQ2 在亚毫米图失去灵敏度的区域（半径超过10,000 AU）中，预恒星核的径向结构如何？
• RQ3 观测到的任何核心是否表现出清晰的外边缘，表明恒星形成具有有限的质量储备？
• RQ4 观测到的径向柱密度分布与奇异等温球或双向扩散模型等理论模型相比如何？
• RQ5 预恒星核的初始密度分布在多大程度上决定了原恒星吸积率和最终恒星质量？

主要发现

• 24个观测场中23个显示出深的中红外吸收特征，证实了致密核心物质在弥散背景上的吸收。
• 预恒星核的中心柱密度分布显著平坦，$N_{H_2} \propto r^{-0.15}$至$r^{-0.2}$，平坦于$r^{-1}$，与亚毫米研究结果一致。
• 在5,000–10,000 AU以外，柱密度分布变陡，趋近于$N_{H_2} \propto r^{-1}$，并在$R_{\text{edge}} \sim 0.05–0.3$ pc处变得比$r^{-2}$更陡。
• 至少三个核心在$R \sim 15,000–30,000$ AU处表现出清晰边缘，柱密度下降快于$r^{-2}$，意味着密度梯度满足$\rho \propto r^{-3}$或更陡。
• 清晰边缘的存在表明恒星形成的质量储备是有限的，支持恒星质量在预恒星阶段即已确定的观点。
• 具有强背景磁场（约30–100 μG）的双向扩散模型最符合观测分布，尽管可能需要更复杂的湍流磁场模型来解释丝状结构。