[论文解读] The search for high-mass protostars with ALMA revealed up to kilo-parsec scales (SPARKS): I. Indication for a centrifugal barrier in the environment of a single high-mass envelope

T. Csengeri, N. Schneider+12 more|Repository of the Academy's Library (Library of the Hungarian Academy of Sciences)|Apr 17, 2018

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 81被引用 21

一句话总结

本研究基于ALMA对大质量原恒星G328.2551-0.5321的观测，揭示了一个紧凑且边缘可分辨的尘埃连续成分，以及与吸积盘一致的方位角拉长结构。在系统速度±4.5 km s⁻¹速度偏移处检测到扭转激发的CH3OH发射，其对应于离心屏障处的激波，表明该吸积盘的单位质量角动量比低质量原恒星高出一个数量级，支持全局坍缩模型而非核心坍缩情景。

ABSTRACT

The formation of the most massive O-type stars is poorly understood. We present a case study of a young massive clump from the ATLASGAL survey, G328.2551-0.5321. It exhibits a bolometric luminosity of 1.3$ imes$10$^4$ L$_{\odot}$ corresponding to a current protostellar mass of $\sim$11 and 16 M$_{\odot}$. We analyze high angular-resolution observations with ALMA at $\sim$0.17" corresponding a physical scale of $\sim$400 au in dust continuum and molecular lines. The dust continuum emission reveals a single high-mass protostellar envelope and shows evidence for a marginally resolved continuum source. We detect a rotational line of CH$_3$OH within its $v_{ m t}$=1 torsionally excited state revealing two bright peaks of emission spatially offset from the dust continuum peak, and exhibiting a distinct velocity component $\pm$4.5 km s$^{-1}$ offset compared to the source $v_{ m lsr}$. Local thermodynamic equilibrium analysis suggests N(CH$_3$OH)=1.2$-$2$ imes$10$^{19}$ cm$^{-2}$, and kinetic temperatures of 160$-$200 K at the position of these peaks. Their velocity shifts correspond well to the expected Keplerian velocity around a central object with 15M$_{\odot}$ consistent with the mass estimate based on the source's bolometric luminosity. We propose a picture where the CH$_3$OH emission peaks trace the accretion shocks around the centrifugal barrier, pinpointing the interaction region between the collapsing envelope and an accretion disk. Because the HC$_3$N $v_{ m 7}$=1e ($J$=38-37) line shows compact emission, and a velocity pattern consistent with models of Keplerian rotation, we suggest that this could be a new tracer for compact accretion disks around high-mass protostars. The estimated physical properties of the accretion disk suggest a specific angular momentum several times larger than typically observed towards low-mass protostars.

研究动机与目标

• 在形成致密HII区之前，研究大质量原恒星主吸积阶段的物理条件与吸积结构。
• 确定大质量恒星形成是否遵循低质量恒星形成的放大版本，或遵循独立机制。
• 识别大质量原恒星包层中吸积盘与离心屏障的示踪剂。
• 评估角动量与坍缩动力学在大质量恒星形成中的作用。
• 探索振动态激发分子谱线作为紧凑吸积盘示踪剂的潜力。

提出的方法

• 利用~0.17″角分辨率（物理尺度约400 au）的高角分辨率ALMA观测，绘制热尘埃连续谱与分子谱线发射。
• 应用转动图分析与局部热动平衡（LTE）建模，对CH3OH转动跃迁进行分析，以推导气体温度与柱密度。
• 比较CH3OH与CO（J=3–2）谱线的速度结构，以推断运动学并定位离心屏障。
• 分析SiO（J=8–7）、SO2与HC3N谱线的形态与运动学，以追踪激波与喷流活动。
• 检查振动激发的HC3N（υ7=1e，J=38–37）谱线，以评估其与内吸积盘的关联性。
• 通过尘埃连续谱去卷积与等高线半径测量（R90% ~250 au）推断盘的大小与结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的CH3OH发射在±4.5 km s⁻¹速度偏移处是否对应于大质量原恒星包层中离心屏障处的激波？
• RQ2 内包层的推断单位角动量是多少？与低质量原恒星相比如何？
• RQ3 振动态激发的HC3N谱线能否作为大质量原恒星周围紧凑吸积盘的新示踪剂？
• RQ4 观测到的形态与运动学是否与全局坍缩模型一致，而非核心坍缩模型？
• RQ5 高激发CH3OH斑点中的物理条件（Tkin，N(CH3OH)）是什么？

主要发现

• CH3OH发射峰在空间上偏离尘埃连续谱峰值，且相对于源系统速度（vLSR）呈现±4.5 km s⁻¹的多普勒速度偏移。
• 在LTE假设下进行的转动图分析得到高激发斑点中气体温度为160–200 K，CH3OH柱密度为1.2–2.0 × 10¹⁹ cm⁻²。
• CH3OH峰处观测到的速度偏移与围绕约15 M☉中心质量的开普勒旋转一致，与基于总辐射亮度的质质量估计相符。
• 尘埃连续谱显示一个边缘可分辨的组分，去卷积后的90%半径约为~250 au，与离心屏障内的吸积盘结构一致。
• 尘埃峰值周围的方位角拉长结构表明内包层中存在螺旋图案或盘状结构。
• 振动激发的HC3N（υ7=1e，J=38–37）谱线表现出紧凑形态，暗示其可能追踪内盘区域，为新的潜在盘示踪剂提供了可能。