[论文解读] Very compact radio emission from high-mass protostars. II. Dust disks and ionized accretion flows

F. van der Tak, K. M. Menten|ArXiv.org|Apr 1, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 47被引用 50

一句话总结

本研究利用43 GHz甚长基线干涉测量（VLBI）成像，探测到大质量原恒星W33A、AFGL 2591和NGC 7538 IRS9的紧凑、毫央级射电辐射，揭示了受恒星引力约束的电离吸积流。结果支持吸积流在接近恒星时电离的模型，且H II区在恒星光度达到约10⁵ L⊙之前保持引力束缚，此后H II区膨胀，喷流失去准直性。

ABSTRACT

This paper reports 43 GHz imaging of the high-mass protostars W33A, AFGL 2591 and NGC 7538 IRS9 at 0.04'' and 0.6'' resolution. In each case, weak (~mJy), compact (~100 AU) emission is detected, which has an elongated shape (axis ratio ~3). For AFGL 2591 and NGC 7538 IRS9, the emission is single-peaked, while for the highest luminosity source, W33A, a `mini-cluster' of three sources is detected. The derived sizes, flux densities, and broad-band radio spectra of the sources support recent models where the initial expansion of HII regions around very young O-type stars is prevented by stellar gravity. In these models, accretion flows onto high-mass stars originate in large-scale molecular envelopes and become ionized close to the star. These models reproduce our observations of ionized gas as well as the structure of the molecular envelopes of these sources on 10^3--10^4 AU scales derived previously from single-dish submillimeter continuum and line mapping. For AFGL 2591, the 43 GHz flux density is also consistent with dust emission from a disk seen in near-infrared `speckle' images. However, the alignment of the 43 GHz emission with the large-scale molecular outflow argues against an origin in a disk for AFGL 2591 and NGC 7538 IRS9. In contrast, the outflow from W33A does not appear to be collimated. Together with previously presented case studies of W3 IRS5 and AFGL 2136, our results indicate that the formation of stars and stellar clusters with luminosities up to ~10^5 L0 proceeds through accretion and produces collimated outflows as in the solar-type case, with the `additional feature' that the accretion flow becomes ionized close to the star. Above ~10^5 L0, clusters of HII regions appear, and outflows are no longer collimated, possibly as the result of mergers of protostars or pre-stellar cores.

研究动机与目标

• 利用高角分辨率观测研究深嵌入大质量原恒星的紧凑射电辐射性质。
• 确定射电辐射是源于电离吸积流还是尘埃盘，并评估其对大质量恒星形成模型的影响。
• 研究射电辐射、分子喷流与大质量原恒星演化状态之间的关系。
• 检验电离吸积流在早期大质量恒星中受恒星引力约束的假设。
• 探索大质量恒星形成过程中从吸积主导相到H II区主导相的转变，特别是当光度达到10⁵ L⊙时的转变。

提出的方法

• 利用甚长基线阵列（VLBA）在约0.04″和约0.6″角分辨率下进行43 GHz连续谱高分辨率成像，以探测紧凑射电源。
• 对超宽带射电数据（15–107 GHz）进行谱指数分析，以区分热轫致辐射、自由-自由吸收与非热辐射机制。
• 将射电形态与亚毫米波及近红外数据进行比较，包括通过斑点成像探测到的尘埃盘和分子喷流结构。
• 基于引力约束建立电离吸积流模型，其中H II区仅在半径超过GM/(2cₛ²)时膨胀，从而防止早期破坏。
• 通过亮度温度（约1500 K）和电子密度（约10¹³ cm⁻³）评估，检验自由-自由辐射的尘埃亚亚化半径模型。
• 利用H₂O脉泽的运动学特征及其与喷流的空间对齐，约束射电辐射的起源，区分盘状与喷流相关辐射。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量原恒星（如W33A、AFGL 2591和NGC 7538 IRS9）中紧凑、毫央级射电辐射的物理起源是什么？
• RQ2 观测到的射电辐射是否源于受恒星引力约束的电离吸积流，还是源于原恒星周围的尘埃盘？
• RQ3 射电辐射的形态与谱指数如何与准直分子喷流的存在相关联？
• RQ4 在何种光度阈值下，电离吸积流向膨胀的H II区转变？
• RQ5 原恒星合并或核心并合在形成非准直喷流与簇状H II区的过程中起何种作用？

主要发现

• 在所有三个源中均探测到紧凑、毫央级射电辐射（FWHM ≈ 100 AU），其中W33A在3000–5000 AU距离上显示出三重源系统。
• W33A与AFGL 2591的射电谱与电离吸积流的热轫致辐射一致，谱指数接近γ ≈ 1.86。
• NGC 7538 IRS9的射电谱为非热谱，表明可能存在来自喷流的同步辐射，且其毫米波谱比其他源更陡，表明尘埃发射为光学薄。
• AFGL 2591在43 GHz的辐射与近红外斑点成像中探测到的尘埃盘的尘埃辐射一致，但其与大尺度分子喷流的空间对齐表明其并非起源于盘。
• 观测到的亮度温度（约1500 K）与电子密度（约10¹³ cm⁻³）支持自由-自由辐射的尘埃亚亚化半径模型。
• 结果支持如下模型：吸积流在接近恒星时电离，并在引力束缚下维持稳定，直到恒星光度达到约10⁵ L⊙，此后H II区膨胀，喷流失去准直性。