[论文解读] Probing the initial conditions of high-mass star formation. II. Fragmentation, stability, and chemistry

T. Pillai, Jens Kauffmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用 65

一句话总结

本研究利用高分辨率干涉观测对NH2D、NH3和尘埃连续辐射进行观测，探究两个大质量预原星团区域（G29.96−0.02和G35.20−1.74）中的冷密气体，发现核心温度低于20 K，氘化程度极高（[NH2D/NH3] > 6%），且处于亚virial状态，表明引力坍缩即将发生。研究结果挑战了单体坍缩模型，支持质量储库超出单个核心的竞聚吸积场景。

ABSTRACT

We present a new high-resolution study of pre-protocluster regions in tracers exclusively probing the coldest and dense gas (NH_2D). The data are used to constrain the chemical, thermal, kinematic, and physical conditions (i.e., densities) in G29.96e and G35.20w. NH_3, NH_2D, and continuum emission were mapped using the VLA, and PdBI. In particular, NH_2D is a unique tracer of cold, precluster gas at high densities, while NH_3 traces both the cold and warm gas of modest-to-high densities. In G29.96e, Spitzer images reveal two massive filaments, one of them in extinction (infrared dark cloud). We observe very low line widths in NH_3 (FWHM <1km/s). These multi-wavelength, high-resolution observations of high-mass pre-protocluster regions show that the target regions are characterized by (i) turbulent Jeans fragmentation of massive clumps into cores (from a Jeans analysis); (ii) cores and clumps that are "over-bound/subvirial", i.e. turbulence is too weak to support them against collapse, meaning that (iii) some models of monolithic cloud collapse are quantitatively inconsistent with data; (iv) accretion from the core onto a massive star, which can (for observed core sizes and velocities) be sustained by accretion of envelope material onto the core, suggesting that (similar to competitive accretion scenarios) the mass reservoir for star formation is not necessarily limited to the natal core; (v) high deuteration ratios ([NH_2D/NH_3]>6%), which make the above discoveries possible; (vi) and the destruction of NH_2D toward embedded stars. [abridged]

研究动机与目标

• 通过研究大质量恒星形成之前预原星团区域中的冷密气体，探究大质量恒星形成的初始条件。
• 确定这些区域中观测到的碎片化、运动学和化学特性是否与大质量恒星形成理论模型一致。
• 基于湍流、密度和氘化程度的观测约束，检验单体云坍缩模型的有效性。
• 评估大质量恒星的质量储库是否仅限于原初核心，还是如竞聚吸积模型所预测的那样延伸至周围包层。

提出的方法

• 利用PdBI和VLA在亚角秒分辨率下进行NH2D、NH3和尘埃连续辐射的高角分辨率干涉观测。
• 使用Spitzer 8和24 μm成像识别红外暗云（IRDCs），并探测嵌入式原恒星活动。
• 测量氘化比（[NH2D/NH3]）以追踪冷密气体并识别预原星团条件。
• 应用Jeans分析评估碎片化的稳定性，判断湍流支持是否足以防止坍缩。
• 从NH2D和NH3的线宽（FWHM）计算湍流和virial参数，以评估核心稳定性。
• 通过核心大小、速度和质量储库估算吸积 timescales，以检验竞聚吸积的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量预原星团区域中的物理和化学条件（温度、密度、氘化程度）如何？
• RQ2 大质量丝状结构中观测到的碎片化是否与湍流Jeans碎片化一致？
• RQ3 这些区域中的核心和团块是否处于virial平衡状态，或处于亚virial状态，表明引力不稳定性？
• RQ4 大质量恒星的吸积在多大程度上可由核心以外的包层物质维持？
• RQ5 NH2D的破坏与嵌入式原恒星的存在之间有何关联？

主要发现

• 目标区域G29.96−0.02和G35.20−1.74中存在温度低于20 K、密度高于10^5 cm⁻³的冷密核心，表明处于平静的预原星团状态。
• 测得极高的氘化比（[NH2D/NH3] > 6%），证实了冷而平静气体的存在，并可精确追踪预原星团物质。
• NH2D谱线线宽极窄（FWHM ≤ 1 km s⁻¹），表明湍流水平低，运动为亚virial状态，提示核心处于引力束缚状态，易发生坍缩。
• 核心和团块结构处于过束缚状态（亚virial），说明湍流不足以支持其抵抗引力坍缩，与单体坍缩模型矛盾。
• 每根丝状结构中仅有一个核心表现出大质量恒星形成的活跃迹象（如脉泽、出流、24 μm辐射），其余核心仍保持冷而平静。
• 大质量恒星的吸积可由包层物质维持，支持竞聚吸积模型，即质量储库延伸至单个核心之外。