[论文解读] Probing the formation of intermediate- to high-mass stars in protoclusters: A detailed millimeter study of the NGC 2264 clumps

N. Peretto, Ph. André+1 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|Aug 29, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 55被引用 100

一句话总结

本研究利用亚毫米波连续谱和分子谱线观测，调查了NGC 2264原星团中大质量恒星的形成过程，揭示了NGC 2264-C中一个长轴方向呈橄榄形、不稳定的团块发生了大尺度的近自由落体坍缩。辐射转移建模显示，中心原恒星C-MM3处的物质流入速率极高（约3×10⁻³ M⊙ yr⁻¹），支持在湍流、气态主导的环境中，通过多个0型级核心的引力合并形成大质量恒星（约10–20 M⊙），其形成机制介于核心合并模型与湍流核心模型之间。

ABSTRACT

We present the results of dust continuum and molecular line observations of two massive cluster-forming clumps, NGC 2264-C and NGC 2264-D, including extensive mapping performed with the MAMBO bolometer array and the HERA heterodyne array on the IRAM 30m telescope. Both NGC 2264 clumps are located in the Mon OB1 giant molecular cloud complex, adjacent to one another. Twelve and fifteen compact millimeter continuum sources (i.e. MMSs) are identified in clumps C and D, respectively. Evidence for widespread infall motions is found in, e.g., HCO+(3-2) or CS(3-2) in both NGC 2264-C and NGC 2264-D. A sharp velocity discontinuity ~ 2 km/s in amplitude is observed in N_2H+(1-0) and H^{13}CO+(1-0) in the central, innermost part of NGC 2264-C, which we interpret as the signature of a strong dynamical interaction between two MMSs and their possible merging with the central MMS C-MM3. Radiative transfer modelling supports the idea that NGC 2264-C is a highly unstable prolate clump in the process of collapsing along its long axis on a near free-fall dynamical timescale ~ 1.7x10^5 yr. Our model fit of this large-scale collapse suggests a maximum mass inflow rate ~ 3x10^{-3} Msun/yr toward the central protostellar object C-MM3. Such infall rates are sufficiently high to overcome radiation pressure and allow the formation of ~ 20 Msun stars by accretion in ~ 1.7x10^5 yr, i.e., a time similar to the global dynamical timescale of the central part of NGC 2264-C. We conclude that we are likely witnessing the formation of a high-mass (> 10 Msun) protostar in the central part of NGC 2264-C. Our results suggest a picture of massive star formation intermediate between the scenario of stellar mergers of Bonnell et al. (1998) and the massive turbulent core model of McKee & Tan (2003).

研究动机与目标

• 理解在星团环境中，特别是原星团中，中等至大质量恒星的形成机制。
• 利用详细的运动学与动力学观测，检验大质量恒星形成的不同理论模型——特别是湍流核心模型与恒星合并情景之间的竞争。
• 确定高吸积速率是否足以克服辐射压力，在致密、坍缩的团块中形成超过8 M⊙的恒星。
• 研究大尺度吸积、湍流与动力学相互作用在塑造大质量恒星诞生初始条件中的作用。
• 表征NGC 2264-C与NGC 2264-D中亚毫米波连续源（MMSs）的物理特性及其与原恒星的关联。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜上的MAMBO热释电阵列与HERA混频接收机，开展深度的亚毫米波尘埃连续谱与分子谱线观测。
• 以高角分辨率测绘了两个大质量星团形成团块NGC 2264-C与NGC 2264-D，识别出紧凑的亚毫米波源（MMSs）。
• 分析HCO⁺(3–2)、CS(3–2)、N₂H⁺(1–0)与H¹³CO⁺(1–0)的谱线轮廓，以探测物质吸积运动与速度不连续性。
• 在NGC 2264-C中识别出N₂H⁺(1–0)与H¹³CO⁺(1–0)的显著速度不连续性（约2 km s⁻¹），解释为MMSs之间动力学相互作用的证据。
• 对HCO⁺与CS谱线轮廓应用辐射转移建模，推导出中心原恒星C-MM3与D-MM1处的吸积速度与质量流入速率。
• 将观测到的运动学特征与质量流入速率与大质量恒星形成理论模型（包括McKee & Tan的湍流核心模型与Bonnell等的合并情景）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大质量原星团团块中，能否维持足够高的吸积速率以克服辐射压力？
• RQ2 大尺度坍缩与动力学相互作用在大质量恒星形成中起何种作用？
• RQ3 NGC 2264中MMSs的运动学特性与ρ Ophiuchi等著名原恒星区域相比如何？
• RQ4 NGC 2264-C中观测到的速度不连续性是否表明原恒星核心发生了引力合并？
• RQ5 观测到的吸积与湍流在多大程度上支持介于湍流核心与恒星合并模型之间的混合形成情景？

主要发现

• 在NGC 2264-C中识别出12个紧凑亚毫米波源（MMSs），质量范围约为2至41 M⊙，中位质量约为10 M⊙，表明其团块质量大于NGC 2264-D。
• 在NGC 2264-D中探测到15个MMSs，中位质量约为6 M⊙，总气体质量约为1310 M⊙，与一个质量较小但仍活跃的星团形成环境一致。
• NGC 2264中MMSs的视线速度弥散度达到超音速（约0.7 km s⁻¹），是ρ Ophiuchi的两倍，Taurus的五倍，表明存在显著湍流。
• 70%的NGC 2264-C中MMSs与激波H₂喷流相关，表明其为候选0型级原恒星，暗示近期发生了高效、剧烈的恒星形成爆发。
• NGC 2264-C中心区域N₂H⁺(1–0)与H¹³CO⁺(1–0)中观测到的显著速度不连续性（约2 km s⁻¹）被解释为MMSs向中心源C-MM3合并过程中的动力学相互作用。
• NGC 2264-C的辐射转移建模表明，沿橄榄形团块长轴方向存在大尺度、近自由落体的坍缩，动力学时标约为1.7×10⁵ yr，C-MM3处的最大质量流入速率约为3×10⁻³ M⊙ yr⁻¹。