[论文解读] Exploring the 100 au Scale Structure of the Protobinary System NGC 2264 CMM3 with ALMA

Yoshiki Shibayama, Yoshimasa Watanabe+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 64被引用 1

一句话总结

本研究利用ALMA在0.1角秒的分辨率下（70 au）解析了原双星系统NGC 2264 CMM3的100 au尺度结构，揭示了CMM3A和CMM3B中均存在明显的盘和包层组分。研究发现，CMM3A的谱指数为2.4–2.7，CMM3B为2.4–2.6，表明尘埃光学厚度较高且颗粒生长显著，暗示尘埃光学厚度是CMM3B光谱稀疏的关键因素。在CMM3A的盘中检测到开普勒旋转（质量：0.1–0.5 M⊙），并在OCS发射线中发现速度梯度，表明喷流具有旋转运动，其角动量与盘的角动量相当，表明喷流旋转可有效实现角动量的提取。

ABSTRACT

We have observed the young protostellar system NGC 2264 CMM3 in the 1.3 mm and 2.0 mm bands at a resolution of about 0.1$"$ (70 au) with ALMA. The structures of two distinct components, CMM3A and CMM3B, are resolved in the continuum images of both bands. CMM3A has an elliptical structure extending along the direction almost perpendicular to the known outflow, while CMM3B reveals a round shape. We have fitted two 2D-Gaussian components to the elliptical structure of CMM3A and CMM3B, and have separated the disk and envelope components for each source. The spectral index $\alpha$ between 2.0 mm and 0.8 mm is derived to be 2.4-2.7 and 2.4-2.6 for CMM3A and CMM3B, respectively, indicating the optically thick dust emission and/or the grain growth. A velocity gradient in the disk/envelope direction is detected for CMM3A in the CH$_3$CN, CH$_3$OH, and $^{13}$CH$_3$OH lines detected in the 1.3 mm band, which can be interpreted as the rotation of the disk/envelope system. From this result, the protostellar mass of CMM3A is roughly evaluated to be $0.1- 0.5$ $M_\odot$ by assuming Keplerian rotation. The mass accretion rate is thus estimated to be $5 imes10^{-5}$ - 4 $ imes$ $10^{-3}$ $M_\odot$ yr$^{-1}$, which is higher than typical mass accretion rate of low-mass protostars. The OCS emission line shows a velocity gradient in both outflow direction and disk/envelope direction. A hint of outflow rotation is found, and the specific angular momentum of the outflow is estimated to be comparable to that of the disk. These results provide us with novel information on the initial stage of a binary/multiple system.

研究动机与目标

• 研究原双星系统NGC 2264 CMM3在100 au尺度上的结构，该系统是研究早期双星/多星形成的关键目标。
• 确定两个原恒星成分CMM3A和CMM3B的物理性质，包括其质量、吸积率和盘几何结构。
• 探讨气体和喷流的动力学，以理解早期双星系统中角动量输运机制。
• 研究CMM3A（富含复杂有机物）与CMM3B（光谱稀疏）之间分子线丰富度差异的成因，特别是尘埃光学厚度的作用。

提出的方法

• 在1.3 mm和2.0 mm波段进行高角分辨率ALMA观测， beam大小为0.1角秒（约70 au）。
• 对CMM3A和CMM3B的连续图像采用双二维高斯拟合，以分离紧凑（盘）和扩展（包层）组分。
• 通过2.0 mm与0.8 mm之间的谱指数（α）分析，推断尘埃光学厚度和颗粒生长。
• 在分子线（CH3CN、CH3OH、13CH3OH、OCS）中分析速度梯度，以推断开普勒旋转和喷流动力学。
• 基于开普勒旋转假设估算质量，得出原恒星质量与质量吸积率。
• 基于OCS发射线中的速度梯度，计算喷流的特定角动量。

实验结果

研究问题

• RQ1 CMM3A和CMM3B原恒星在100 au尺度上的物理结构如何？它们的盘和包层组分有何差异？
• RQ2 CMM3A与CMM3B之间分子线丰富度的显著差异由何引起？尘埃光学厚度是否为关键因素？
• RQ3 CMM3A的原恒星质量与质量吸积率是多少？与典型低质量原恒星相比如何？
• RQ4 CMM3A的喷流是否在旋转？其携带的特定角动量是否足以解释从吸积盘中提取角动量？

主要发现

• CMM3A的连续辐射表现出与已知喷流垂直的椭圆结构，而CMM3B呈圆形；通过双二维高斯拟合，两者均被成功分解为盘和包层组分。
• CMM3A在2.0 mm与0.8 mm之间的谱指数α为2.4–2.7，CMM3B为2.4–2.6，表明尘埃发射光学厚，或存在颗粒生长，暗示高尘埃光学厚度是CMM3B光谱稀疏的关键因素。
• CMM3A中CH3CN、CH3OH和13CH3OH线的速度梯度表明存在开普勒旋转，估算原恒星质量为0.1–0.5 M⊙，质量吸积率为5 × 10⁻⁵至4 × 10⁻³ M⊙ yr⁻¹，高于典型低质量原恒星的吸积率。
• OCS发射线在喷流和盘/包层方向均显示出速度梯度，初步提示喷流存在旋转运动；喷流的特定角动量估算约为∼6 × 10⁻⁴ km s⁻¹ pc，与半径35–170 au处开普勒盘的角动量相当。
• 结果表明，旋转喷流可参与从吸积气体中提取角动量，支持在大半径区域通过磁旋转离心机制启动的盘风模型。