[论文解读] From Pre-Stellar Cores to Protostars: The Initial Conditions of Star Formation

P. André, D. Ward–Thompson+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 48被引用 47

一句话总结

本文综述了低质量恒星形成初始条件的观测进展，表明预恒星核具有平坦的内部密度分布，而非奇异的等温球体，暗示存在快速、时变的吸积的动态坍缩阶段。关键结果包括：Class 0 原恒星表现出高吸积率和强烈的喷流，表明初始质量函数（IMF）在星团环境中于预恒星核阶段即已成形。

ABSTRACT

The last decade has witnessed significant advances in our observational understanding of the earliest stages of low-mass star formation. The advent of sensitive receivers on large radio telescopes such as the JCMT and IRAM 30m MRT has led to the identification of young protostars at the beginning of the main accretion phase (`Class 0' objects), and has made it possible to probe, for the first time, the inner density structure of pre-collapse cores. Class 0 objects are characterized by strong, centrally-condensed dust continuum emission at submillimeter wavelengths, very little emission shortward of 10 microns, and powerful jet-like outflows. Direct evidence for gravitational infall has been observed toward several of them. They are interpreted as accreting protostars which have not yet accumulated the majority of their final stellar mass. In contrast to protostars, pre-stellar cores have flat inner density profiles, suggesting the initial conditions for fast protostellar collapse depart sometimes significantly from a singular isothermal sphere. In the case of non-singular initial conditions, the beginning of protostellar evolution is expected to feature a brief phase of vigorous accretion/ejection which may coincide with Class 0 objects. In addition, submillimeter continuum imaging surveys of regions of multiple star formation such as Ophiuchus and Serpens suggest a picture according to which each star in an embedded cluster is built from a finite reservoir of mass and the associated IMF is primarily determined at the pre-stellar stage of evolution.

研究动机与目标

• 利用预恒星核和原恒星的亚毫米波连续辐射观测，评估低质量恒星形成的初始条件。
• 确定原恒星坍缩是否始于奇异等温球体，还是非奇异、平坦密度的核。
• 研究吸积与喷流活动在嵌入星团中初始质量函数（IMF）形成中的作用。
• 评估核结构对吸积速率以及从预恒星核向原恒星过渡的影响。

提出的方法

• 利用大型地面望远镜（JCMT、IRAM 30m MRT）的高灵敏度亚毫米波连续辐射观测，探测预恒星核和 Class 0 原恒星的内部密度结构。
• 分析亚毫米波段的尘埃连续辐射，推断预恒星核的径向密度分布，发现其内部梯度平坦，而非 r⁻² 的奇异分布。
• 比较 Class 0 与 Class I 原恒星的喷流特性与吸积光度，推断时变吸积率。
• 使用数值模拟与理论框架（如 Shu et al. 1987, Larson 1969）模拟原恒星演化，将奇异等温球体假设与观测到的非奇异初始条件进行对比。
• 评估消旋扩散、湍流耗散与外部冲量在形成预恒星凝聚体中的作用。
• 结合 Ophiuchus 与 Serpens 星域的观测约束，评估每颗原恒星可获得的质量储备及其对 IMF 的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 预恒星核的径向密度结构如何？与奇异等温球体模型相比有何偏离？
• RQ2 从 Class 0 到 Class I 原恒星，吸积率与喷流活动如何演化？这对原恒星演化有何启示？
• RQ3 原恒星坍缩的初始条件在多大程度上由预恒星核的结构决定？
• RQ4 形成预恒星核的物理机制（如消旋扩散、湍流耗散）如何影响星团区域中恒星的初始质量函数（IMF）？
• RQ5 初始质量函数（IMF）是否主要在预恒星核阶段确定，还是依赖于后续的吸积与反馈过程？

主要发现

• 预恒星核表现出平坦的内部密度分布，表明其初始条件非奇异，与奇异等温球体模型存在显著偏离。
• Class 0 原恒星显示出强烈的、中心凝聚的亚毫米波发射，10 μm 以短波方向几乎无辐射，且具有强烈的双极喷流，表明存在活跃的吸积与吸积过程。
• 从 Class 0 到 Class I 阶段，质量吸积率 $\dot{M}_{\text{acc}}$ 下降约 5–10 倍，表明吸积为时变过程，而非恒定速率。
• 观测到的 $\dot{M}_{\text{acc}}$ 下降与非奇异初始密度分布一致，暗示坍缩初期存在短暂而剧烈的吸积/喷射阶段。
• 在 Ophiuchus 与 Serpens 等区域，每个嵌入星团中的恒星均来自有限且有界的质量储备，支持 IMF 主要在预恒星阶段确定的场景。
• 观测到的有限尺寸、非尺度无关的核（通常半径约 1000 AU）表明，原恒星坍缩通过紧凑、有限密度的团块（类似 Bonnor-Ebert 云滴）进行，而非理想化的奇异球体。