[论文解读] Radio outburst from a massive (proto)star. When accretion turns into ejection

R. Cesaroni, L. Moscadelli+7 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Feb 12, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 28被引用 20

一句话总结

本研究利用甚大阵列（VLA）、IRAM/NOEMA 和 ALMA，首次检测到大质量原恒星 S255 NIRS 3 在红外吸积爆发期间伴随的射电爆发。从 6 至 45 GHz 的射电流量密度呈指数上升，始于红外爆发约 13 个月后，该现象支持一种热喷流模型，即喷流的电离质量损失率和张角随时间增加；而毫米波段的自由-自由辐射证实电离分数低于 14%，表明中性组分在热喷流中占主导地位。

ABSTRACT

Context. Recent observations of the massive young stellar object S255 NIRS 3 have revealed a large increase in both methanol maser flux density and IR emission, which have been interpreted as the result of an accretion outburst, possibly due to instabilities in a circumstellar disk. This indicates that this type of accretion event could be common in young/forming early-type stars and in their lower mass siblings, and supports the idea that accretion onto the star may occur in a non-continuous way. Aims. As accretion and ejection are believed to be tightly associated phenomena, we wanted to confirm the accretion interpretation of the outburst in S255 NIRS 3 by detecting the corresponding burst of the associated thermal jet. Methods. We monitored the radio continuum emission from S255 NIRS 3 at four bands using the Karl G. Jansky Very Large Array. The millimetre continuum emission was also observed with both the Northern Extended Millimeter Array of IRAM and the Atacama Large Millimeter/submillimeter Array. Results. We have detected an exponential increase in the radio flux density from 6 to 45 GHz starting right after July 10, 2016, namely about 13 months after the estimated onset of the IR outburst. This is the first ever detection of a radio burst associated with an IR accretion outburst from a young stellar object. The flux density at all observed centimetre bands can be reproduced with a simple expanding jet model. At millimetre wavelengths we infer a marginal flux increase with respect to the literature values and we show this is due to free-free emission from the radio jet. Abridged.

研究动机与目标

• 通过探测与之相关的热喷流辐射，确认 S255 NIRS 3 中吸积爆发的解释。
• 研究喷流的物理特性，包括电离质量损失率、张角和电离分数。
• 确定周期性吸积与喷射在大质量恒星形成中是否普遍。
• 通过建模射电与毫米波连续辐射，约束喷流结构与演化。

提出的方法

• 利用卡尔·G·扬斯基甚大阵列（VLA）在四个厘米波段对 S255 NIRS 3 进行多波段监测，以探测射电连续辐射的变异性。
• 利用 IRAM/NOEMA 和 ALMA 进行高分辨率毫米波连续辐射观测，以亚角秒分辨率探测喷流中的自由-自由辐射。
• 使用简单的膨胀喷流模型对射电谱进行建模，考虑自由-自由光学厚度，假设喷流为圆锥形、等温结构，且密度随距离呈 ∝ r⁻² 依赖关系。
• 基于雷诺尔斯（1986）的形式化方法，从喷流的物理参数推导出谱的转折频率 νₘ 和 νₜ，关联至 r₀、r_max 和 qₜ。
• 通过 νₜ/νₘ = (r_max/r₀)^{qₜ/2.1} 的关系式，假设 qₜ = -3，推断 r₀/r_max 的比值。
• 基于观测到的流量密度与谱指数，假设中间波段的幂律指数约为 0.6，估算电离分数。

实验结果

研究问题

• RQ1 此前归因于吸积的 S255 NIRS 3 红外爆发是否会产生可探测的射电爆发，来自相关热喷流？
• RQ2 爆发期间喷流的时间演化及其物理参数（如质量损失率、张角）如何？
• RQ3 喷流中的电离分数是多少？中性组分是否在热喷流中占主导？
• RQ4 观测到的射电与毫米波连续辐射是否可由单一膨胀喷流模型解释？

主要发现

• 在 S255 NIRS 3 中检测到射电爆发，从 6 至 45 GHz 的流量密度呈指数增长，始于 2016 年 7 月 10 日之后——约在红外爆发开始估计后 13 个月。
• 在厘米波段观测到的射电谱可被简单膨胀喷流模型良好拟合，表明喷流的张角和电离质量损失率随时间显著增加。
• 在毫米波段检测到微弱的流量增加，归因于喷流的自由-自由辐射，而非原始原恒星本身。
• 喷流中的电离分数被限制在 14% 以下，强烈支持中性组分在热喷流中占主导地位。
• 转折频率比值 νₜ/νₘ 表明 r₀/r_max 比值随时间增加，与喷流膨胀一致。
• 这些发现首次为大质量原恒星中吸积爆发与热喷流喷射之间的直接关联提供了证据，支持周期性吸积-喷射事件是大质量恒星形成关键机制的观点。