[论文解读] ATOMS: ALMA Three-millimeter Observations of Massive Star-forming regions -- V. Hierarchical fragmentation and gas dynamics in IRDC G034.43+00.24

Hongli Liu, Anandmayee Tej+37 more|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 75被引用 31

一句话总结

本研究基于ALMA 3 mm波段对IRDC G034.43+00.24中大质量原恒星团块MM1的观测，揭示了由湍流和动力学质量流入驱动的云团、团块及核心尺度上的分层碎片化现象。关键发现为尺度依赖的吸积级联——表现为喷流、声速平衡核心及速度梯度——支持了与大质量恒星形成中多尺度碎片化相关的动力学质量流入/吸积情景。

ABSTRACT

We present new 3-mm continuum and molecular lines observations from the ATOMS survey towards the massive protostellar clump, MM1, located in the filamentary infrared dark cloud (IRDC), G034.43+00.24 (G34). The lines observed are the tracers of either dense gas (e.g. HCO+/H13CO+ J = 1-0) or outflows (e.g. CS J = 2-1). The most complete picture to date of seven cores in MM1 is revealed by dust continuum emission. These cores are found to be gravitationally bound, with virial parameter, $\alpha_{vir}<2$. At least four outflows are identified in MM1 with a total outflowing mass of $\sim 45 M_\odot$, and a total energy of $\sim 1 imes 10^{47}$ erg, typical of outflows from a B0-type star. Evidence of hierarchical fragmentation, where turbulence dominates over thermal pressure, is observed at both the cloud and the clump scales. This could be linked to the scale-dependent, dynamical mass inflow/accretion on clump and core scales. We therefore suggest that the G34 cloud could be undergoing a dynamical mass inflow/accretion process linked to the multiscale fragmentation, which leads to the sequential formation of fragments of the initial cloud, clumps, and ultimately dense cores, the sites of star formation.

研究动机与目标

• 研究IRDC G034.43+00.24中大质量原恒星团块MM1的分层碎片化与气体动力学特性。
• 通过分析碎片化尺度与质量流入速率，解决高大质量恒星形成是否通过核心吸积或竞争吸积进行的开放性问题。
• 确定多尺度质量流入/吸积在驱动大质量团块中碎片化与原恒星成长中的作用。
• 通过表征动力学与喷流特性，评估湍流与反馈在塑造碎片化过程中的角色。
• 建立观测到的碎片化模式与高大质量恒星形成理论模型（尤其是全局分层坍缩与惯性流入模型）之间的联系。

提出的方法

• 对IRDC G034.43+00.24中的MM1与MM2进行了高分辨率ALMA 3 mm波段连续辐射与分子线观测（HCO+/H13CO+ J=1–0，CS J=2–1）。
• 利用尘埃连续辐射发射识别并表征了9个致密核心（MM1中7个，MM2中2个），测量其质量、大小与密度等物理属性。
• 采用virial参数分析（αvir < 2）评估核心的引力束缚性。
• 通过CS J=2–1发射识别喷流，并估算总喷流质量（~45 M⊙）与能量（~1×10⁴⁷ ergs），与B0型恒星的喷流特征一致。
• 通过H13CO+ (1–0)发射映射大尺度速度梯度，推断在~0.18 pc尺度上存在旋转或流入运动，表明存在旋转结构而非小尺度盘。
• 利用流入与喷流之间的动量守恒，量化质量流入速率（Ṁinf ~ 10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹）与核心尺度吸积速率（Ṁacc ~ 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹）

实验结果

研究问题

• RQ1 在IRDC G034.43+00.24的大质量团块MM1中，分层碎片化的程度与尺度如何？
• RQ2 动力学特性——特别是速度梯度与喷流——如何支持或挑战现有高大质量恒星形成模型？
• RQ3 多尺度质量流入/吸积在此系统中驱动碎片化与原恒星成长中扮演何种角色？
• RQ4 观测到的喷流特性与吸积速率与B0型原恒星的理论预期相比如何？
• RQ5 观测到的碎片化与流入模式能否由动力学、尺度依赖的质量流入/吸积情景解释？

主要发现

• 识别出9个尘埃核心，其中7个位于MM1，2个位于MM2；MM1中的7个核心是该团块迄今观测到的最完整的核心群体。
• 所有9个核心均为引力束缚，virial参数αvir < 2，表明其极有可能发生坍缩并形成恒星。
• MM1中总喷流质量约为45 M⊙，总能量约为1×10⁴⁷ ergs，与B0型原恒星驱动的喷流一致。
• H13CO+ (1–0)发射中观测到的大型蝴蝶状速度梯度（跨度约0.18 pc）表明存在旋转结构，而非小尺度盘。
• MM1与MM2中均观测到3–8 km s⁻¹ pc⁻¹的中等尺度速度梯度，表明气体正流入核心团簇，质量流入速率约为10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹。
• 核心尺度吸积速率（Ṁacc ~ 10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹）低于团块尺度流入速率（Ṁinf ~ 10⁻⁴ M⊙ yr⁻¹），表明质量从大尺度向小尺度逐级流入，支持动力学、分层吸积过程。