[论文解读] Fragmentation, rotation and outflows in the high-mass star-forming region IRAS 23033+5951. A case study of the IRAM NOEMA large program CORE

F. Bosco, H. Beuther+24 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 93被引用 10

一句话总结

本研究利用高分辨率NOEMA和IRAM 30 m观测，对高质星星形成区IRAS 23033+5951进行分析，探讨碎片化、旋转及喷流特性。研究揭示了分层核心碎片化现象，并识别出三个不同的演化阶段：静止核心（MMS2a）、拥有盘状结构的原恒星（MMS1b），其表现出类似开普勒旋转的运动并具有准直喷流；以及高度演化的核心（MMS1a），显示出大张角喷流和厘米波发射，暗示存在多个高质星原恒星，支持高质星星形成过程中通过盘状结构进行吸积和喷流演化。

ABSTRACT

The formation process of high-mass stars (>8M$_\odot$) is poorly constrained, particularly, the effects of clump fragmentation creating multiple systems and the mechanism of mass accretion onto the cores. We study the fragmentation of dense gas clumps, and trace the circumstellar rotation and outflows by analyzing observations of the high-mass (~500M$_\odot$) star-forming region IRAS 23033+5951. Using the Northern Extended Millimeter Array (NOEMA) in three configurations and the IRAM 30-m single-dish telescope at 220GHz, we probe the gas and dust emission at an angular resolution of ~0.45arcsec, corresponding to 1900au. In the mm continuum emission, we identify a protostellar cluster with at least four mm-sources, where three of them show a significantly higher peak intensity well above a signal-to-noise ratio of 100. Hierarchical fragmentation from large to small spatial scales is discussed. Two fragments are embedded in rotating structures and drive molecular outflows, traced by $^{13}$CO (2-1) emission. The velocity profiles across two of the cores are similar to Keplerian but are missing the highest velocity components close to the center of rotation, which is a common phenomena from observations like these, and other rotation scenarios are not excluded entirely. Position-velocity diagrams suggest protostellar masses of ~6 and 19M$_\sun$. Rotational temperatures from fitting CH$_3$CN ($12_K-11_K$) spectra are used for estimating the gas temperature and by that the disk stability against gravitational fragmentation, utilizing Toomre's $Q$ parameter. [We] identify only one candidate disk to be unstable against gravitational instability caused by axisymmetric perturbations. The dominant sources cover different evolutionary stages within the same maternal gas clump. The appearance of rotation and outflows of the cores are similar to those found in low-mass star-forming regions.

研究动机与目标

• 通过针对高质星星团的多尺度运动学与形态学分析，解析高质星星的形成机制。
• 利用分子线与连续谱数据，确定IRAS 23033+5951区域中嵌入原恒星的演化阶段。
• 探究旋转结构与喷流的存在性，作为盘状吸积与原恒星演化过程的指标。
• 通过亚角秒分辨率的Toomre Q参数图评估潜在盘状结构的稳定性。

提出的方法

• 利用IRAM NOEMA干涉仪在A、B和D配置下获取1.37 mm尘埃连续谱与分子线的高分辨率观测。
• 结合IRAM 30 m单天线望远镜的短基线流量数据，以恢复延伸发射并提升动态范围。
• 使用xclass对甲基氰（12K–11K）线进行辐射转移建模，生成逐像素的旋转温度图。
• 基于旋转温度图计算Toomre Q参数，以评估潜在盘状结构的引力稳定性。
• 分析位置-速度（PV）图，识别类似开普勒旋转的轮廓，作为吸积盘存在的指标。
• 利用13CO（2–1）和H2CO（30,3–20,2）等分子线跃迁，追踪星团中的喷流与旋转运动。

实验结果

研究问题

• RQ1 高质星星熄灭团IRAS 23033+5951中的碎片化程度如何？其是否存在分层结构？
• RQ2 在最高质量核心周围是否存在指示吸积盘的旋转结构？这些结构是否具有引力稳定性？
• RQ3 在相同星团中，不同原恒星阶段的喷流形态与准直性如何演化？
• RQ4 MMS1a区域中存在多个高质星原恒星的证据是什么？
• RQ5 核心的运动学与热力学特性如何与它们的演化阶段相关联？

主要发现

• 1.37 mm尘埃连续谱显示至少存在四个毫米波源，呈现为低质量核心（MMS1c，1.2 M☉）与三个更高质量的原恒星核心的分层碎片化结构。
• 核心MMS2a（11.4 M☉）未显示旋转或喷流迹象，可能处于最早演化阶段，仅检测到低激发态线（T < 70 K）。
• 核心MMS1b（10.0 M☉）表现出丰富的化学发射，在PV图中呈现类似开普勒旋转的轮廓，并在13CO与SO中显示出准直喷流，表明其盘状结构具有Toomre稳定性。
• 核心MMS1a（23.5 M☉）表现出大张角喷流与厘米波发射，暗示存在一个或多个高质星原恒星（HMPOs），其内区（2000 au内）的盘状结构为Toomre不稳定性。
• 空间分辨率（~0.45 arcsec ≈ 1900 au）限制了对高质星星多重性相关尺度碎片化的探测。
• 结果支持高质星星形成过程中通过盘状结构进行吸积与喷流演化，其机制与低质量恒星类似，但尺度更大。