[论文解读] The CALYPSO IRAM-PdBI survey of jets from Class 0 protostars. Are jets ubiquitous in young stars ?

L. Podio, Benoît Tabone+11 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2020

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 158被引用 4

一句话总结

本次对21个0型原恒星的CALYPSO IRAM-PdBI巡天研究表明，原恒星喷流普遍存在，其中67%显示出了准直的SiO (5–4)喷流，77%的源还表现出SO (5₆–4₅)发射。研究发现喷流检测率随内部光度增加而上升，且喷流呈现洋葱状结构，SiO最准直（α ≈ 10°），其次是SO（α ≈ 15°）和CO（α ≈ 25°），表明在亚升华半径附近无尘风中SiO的生成效率很高。

ABSTRACT

As a part of the CALYPSO large programme, we constrain the properties of protostellar jets and outflows in a sample of 21 Class 0 protostars with internal luminosities, Lint, from 0.035 to 47 Lsun. We analyse high angular resolution (~0.5"-1") IRAM PdBI observations in CO (2-1), SO ($5_6-4_5$), and SiO (5-4). CO (2-1), which probes outflowing gas, is detected in all the sources (for the first time in SerpS-MM22 and SerpS-MM18b). Collimated high-velocity jets in SiO (5-4) are detected in 67% of the sources (for the first time in IRAS4B2, IRAS4B1, L1448-NB, SerpS-MM18a), and 77% of these also show jet/outflow emission in SO ($5_6-4_5$). In 5 sources (24% of the sample) SO ($5_6-4_5$) probes the inner envelope and/or the disk. The CALYPSO survey shows that the outflow phenomenon is ubiquitous and that the detection rate of high-velocity jets increases with protostellar accretion, with at least 80% of the sources with Lint>1 Lsun driving a jet. The protostellar flows exhibit an onion-like structure, where the SiO jet (opening angle ~10$^o$) is nested into a wider angle SO (~15$^o$) and CO (~25$^o$) outflow. On scales >300 au the SiO jets are less collimated than atomic jets from Class II sources (~3$^o$). Velocity asymmetry between the two jet lobes are detected in one third of the sources, similarly to Class II atomic jets, suggesting that the same launching mechanism is at work. Most of the jets are SiO rich (SiO/H2 from >2.4e-7 to >5e-6), which indicates efficient release of >1%-10% of silicon in gas phase likely in dust-free winds, launched from inside the dust sublimation radius. The mass-loss rates (from ~7e-8 to ~3e-6 Msun/yr) are larger than what was measured for Class II jets. Similarly to Class II sources, the mass-loss rates are ~1%-50% of the mass accretion rates suggesting that the correlation between ejection and accretion in young stars holds from 1e4 yr up to a few Myr.

研究动机与目标

• 通过分析高分辨率毫米波观测，确定0型原恒星中喷流的普遍性。
• 利用CO (2–1)、SO (5₆–4₅)和SiO (5–4)发射线，研究分子喷流和喷流的运动学、准直性和空间结构。
• 估算喷流的质量损失率、动量通量和机械光度，并与吸积率比较，以检验喷流-吸积相关性。
• 评估喷流中SiO和SO的化学丰度，推断原恒星附近的物理条件和喷流启动机制。
• 评估0型原恒星中观测到的喷流特性是否与II型T Tauri星中的喷流特性一致，特别是在准直性、不对称性和喷射效率方面。

提出的方法

• 使用IRAM高原站博尔干涉仪（PdBI）在毫米波段进行高角分辨率（0.′′5–1.′′0）的干涉观测。
• 针对三种关键分子示踪剂：CO (2–1)用于追踪喷流气体，SO (5₆–4₅)用于中间速度激波，SiO (5–4)用于高速喷流。
• 通过辐射转移和激发模型，测量积分线强度以推导分子柱密度、丰度和质量损失率。
• 将喷流机械光度估计为 $ L_{\text{jet}} = \frac{1}{2} \dot{M}_{\text{jet}} V_{\text{jet}}^2 $，并与内部光度 $ L_{\text{int}} $ 比较，以评估能量预算。
• 分析速度梯度和空间形态，识别喷流瓣中的进动、摆动和不对称喷射。
• 评估SiO (5–4)发射的光学深度，以确定SiO在喷流结核中是否光学厚，为激波和化学模型提供依据。

实验结果

研究问题

• RQ1 0型原恒星中喷流是否普遍存在？其检测率与内部光度之间有何相关性？
• RQ2 喷流和喷流的空间与运动学结构如何？它们是否表现出从CO到SiO逐渐增强的准直性，形成类似洋葱的分层结构？
• RQ3 0型喷流的质量损失率和机械光度是多少？它们与吸积率和内部光度相比如何？
• RQ4 为何喷流中SiO丰度如此之高（相对于H₂高达 $ >5 \times 10^{-6} $）？这对其喷流启动机制和尘埃处理意味着什么？
• RQ5 0型喷流的准直性和不对称性与II型原子喷流相比如何？这是否暗示喷流启动机制具有普适性？

主要发现

• 在全部21个0型原恒星中均检测到喷流状CO (2–1)发射，证实喷流在恒星形成这一阶段普遍存在。
• 在18个信噪比足够高的源中，67%（12个）检测到准直的高速SiO (5–4)喷流，其中77%的源还表现出SO (5₆–4₅)发射。
• 中值张角分别为：SiO为10°，SO为15°，CO为25°，证实喷流呈现洋葱状结构，最准直的发射对应最内层喷流。
• 大多数喷流中SiO相对于H₂的丰度为 $ >2.4 \times 10^{-7} $ 至 $ >5 \times 10^{-6} $，表明约1%–10%的元素硅被有效释放到气相中，与无尘风一致。
• 喷流质量损失率范围为 $ 7 \times 10^{-8} \, M_\odot \, \text{yr}^{-1} $ 至 $ 3 \times 10^{-6} \, M_\circ \, \text{yr}^{-1} $，比II型原子喷流高出达五个数量级。
• 60%的喷流中，喷流功率 $ L_{\text{jet}} $ 占内部光度的10%–50%，表明吸积能量高效转化为机械能，且 $ \dot{M}_{\text{jet}} \sim 0.1-0.5 \dot{M}_{\text{acc}} $，与恒星演化各阶段的喷流-吸积相关性一致。