[论文解读] PROSAC: A Submillimeter Array survey of low-mass protostars. II. The mass evolution of envelopes, disks, and stars from the Class 0 through I stages

J. K. Jørgensen, E. F. van Dishoeck+6 more|Max Planck Digital Library|Sep 18, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 90被引用 136

一句话总结

本研究利用高分辨率的亚毫米波阵列（SMA）连续谱及HCO⁺ 3–2谱线观测，对20个低质量的Class 0和I类原恒星进行研究，通过尘埃辐射转移建模分离包层、原行星盘和恒星的质量。研究发现，原行星盘形成较早且吸积迅速，其质量在Class 0至I阶段保持稳定；而I类源中的恒星质量可达系统总质量的70–98%，这一结果挑战了那些高估盘星质量比的理论模型。

ABSTRACT

The key question about early protostellar evolution is how matter is accreted from the large-scale molecular cloud, through the circumstellar disk onto the central star. A sample of 20 Class 0 and I protostars has been observed in continuum at (sub)millimeter wavelengths at high angular resolution with the Submillimeter Array. Using detailed dust radiative transfer models, we have developed a framework for disentangling the continuum emission from the envelopes and disks, and from that estimated their masses. For the Class I sources in the sample, HCO+ 3-2 line emission has furthermore been observed with the Submillimeter Array. Four of these sources show signs of Keplerian rotation, constraining the masses of the central stars. Both Class 0 and I protostars are surrounded by disks with typical masses of about 0.05 M_sun. No evidence is found for a correlation between the disk mass and evolutionary stage of the young stellar objects. This contrasts the envelope mass, which decreases sharply from 1 M_sun in the Class 0 stage to <0.1 M_sun in the Class I stage. Typically, the disks have masses that are 1-10% of the corresponding envelope masses in the Class 0 stage and 20-60% in the Class I stage. For the Class I sources for which Keplerian rotation is seen, the central stars contain 70-98% of the total mass in the star-disk-envelope system, confirming that these objects are late in their evolution through the embedded protostellar stages. Theoretical models tend to overestimate the disk masses relative to the stellar masses in the late Class I stage. The results argue in favor of a picture in which circumstellar disks are formed early during the protostellar evolution and rapidly process material accreted from the larger scale envelope onto the central star.

研究动机与目标

• 约束从Class 0到I类演化阶段的低质量原恒星中包层、原行星盘和中心恒星的质量。
• 通过直接测量恒星-盘-包层系统中的质量分布，检验原恒星演化理论模型。
• 探究原行星盘质量是否在Class 0至I阶段发生显著演化，以及盘的动力学是否表明其已达到稳定、由旋转支持的结构。
• 针对部分I类源，通过HCO⁺ 3–2谱线轮廓中的开普勒旋转运动确定中心恒星质量。
• 评估当前理论模型在再现观测到的盘、恒星与包层之间质量比方面的有效性。

提出的方法

• 利用亚毫米波阵列（SMA）对20个Class 0和I类原恒星进行高角分辨率（通常为2″）的（亚）毫米波连续谱观测。
• 应用详细的尘埃辐射转移模型，将干涉连续谱辐射分解为包层和原行星盘的贡献。
• 结合单镜面连续谱观测数据，以改善流量定标和空间动态范围。
• 利用I类源中的HCO⁺ 3–2谱线辐射识别开普勒旋转，从而实现对中心恒星的动态质量估计。
• 对于表现出开普勒旋转的源，从旋转曲线推导恒星质量，并与系统总质量进行比较。
• 将观测到的质量分布与包含原行星盘形成和包层吸积过程的原恒星演化理论模型（Visser et al., 2009）进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 原行星盘质量是否在Class 0至I阶段发生显著演化，还是其质量在早期即已确立？
• RQ2 在I类阶段，中心恒星已吸积初始核心质量的多少比例？
• RQ3 I类源中的中心恒星质量是否与原恒星演化理论模型一致？
• RQ4 观测到的原行星盘质量与恒星质量在多大程度上与包含盘形成与增长的理论模型预测相符？
• RQ5 在密集气体谱线中观测到的开普勒旋转是否可被可靠地用于测量深嵌入原恒星的中心恒星质量？

主要发现

• Class 0和I类原恒星的原行星盘典型质量约为~0.05 M☉，在Class 0至I阶段无显著增加。
• 包层质量从Class 0源中的~1 M☉急剧下降至I类源中的<0.1 M☉，表明包层快速消散。
• 在Class 0源中，盘质量占包层质量的1–10%，而在I类源中占比达20–60%，表明盘随时间推移逐渐占据主导地位。
• 对于四例表现出开普勒旋转的I类源，中心恒星质量为0.3–2.5 M☉，占系统总质量的70–98%，表明其处于演化晚期。
• 理论模型在I类晚期阶段高估了盘质量相对于恒星质量的比例，提示需对模型进行修正。
• 结果支持原行星盘早期形成并快速从包层吸积物质的演化情景，与间歇性吸积模型一致，并有助于解决光度问题。