ATOMS-QUARKS survey: Inflow and infall in massive protocluster G318.049+00.086: Evidence of competitive accretion

技術要約：ATOMS-QUARKS サーベイ：大質量プロトクラスター G318.049+00.086 における流入とインフォール

問題提起
大質量星（$\ge 8 M_\odot$）の形成メカニズムは、その希少性、急速な進化、および深く埋もれた密集環境が主な理由により、依然として議論の対象となっている。主に2つの理論的枠組みが競合している。一つは「タービュレント・コア・モデル」であり、これは孤立した大質量前恒星コアの崩壊から大質量星が形成されると仮定するものである。もう一つは「クランプ供給モデル」（競争降着、慣性流入、および全域的階層崩壊を含む）であり、これは大質量星が収束流を通じて大規模な貯留層からガスを降着させることで成長すると示唆している。フィラメントに沿った大規模な流入に関する観測的証拠は現れつつあるが、大質量星形成のシナリオを区別するためには、パーセクスケールのフィラメントから個々のコアのインフォールに至るまでの、マルチスケールなガス力学の同時解析が必要である。本研究では、ガスの運動学を調査するために大質量プロトクラスター G318.049+00.086 のガス力学を対象とし、そのダイナミクスが競争降着シナリオを支持するかどうかを検討する。

手法
著者らは、3つのALMAサーベイのデータを用いて、G318.049+00.086（距離 $\approx 2.9$ kpc）のマルチスケール・ガス運動学研究を行った。

1. ATOMS (Band 3): $H^{13}CO^+$ (1–0)、CCH (1–0)、および CS (2–1) 線を用い、グローバルなダイナミクスを追跡し、カラム密度を導出するために使用。
2. QUARKS (Band 6): 高分解能（$\sim 0.3''$）の 1.3 mm ダスト連続波マップを提供し、フィラメント構造と高密度コアを特定。
3. ASSEMBLE (Band 6): 高密度トレーサー（$H^{13}CN$ (4–3)、$CH_3OH$）を提供し、系統速度（$V_{lsr}$）の決定および光学的厚さの効果の確認に使用。

解析には以下が含まれる：

• フィラメント特定: $H^{13}CO^+$ モーメント0マップおよび 1.3 mm 連続波マップの両方に FilFinder アルゴリズムを適用し、ハブ・フィラメント系（HFS）を特定。
• カラム密度マッピング: $H^{13}CO^+$ 放射を用い、局所熱平衡（LTE）仮定の下で、存在比を $10^{-11}$ と仮定して $N(H_2)$ マップを導出。
• 運動学的解析: フィラメントの骨格に沿った位置速度（PV）図を作成し、円筒モデルを用いて速度勾配と質量流入率（$\dot{M}_{\parallel}$）を測定。
• コアのダイナミクス: $H^{13}CO^+$ および CCH のスペクトルプロファイル（青方偏移 vs 赤方偏移のプロファイル）を分析し、インフォールまたは膨張を示す非対称なライン形状を特定。インフォール速度（$V_{in}$）は、観測されたスペクトルを Hill5 放射伝達モデルでフィッティングすることで導出。
• 質量降着: 個々のコアの質量降着率（$\dot{M}_{in}$）を計算し、質量転送効率を評価するためにフィラメントの流入率と比較。

主要な貢献と結果

• ハブ・フィラメント系の特定: 本研究は、G318.049+00.086 を、4つの主要なフィラメント（F1–F4）が密な中央ハブへと収束するハブ・フィラメント系であることを確認した。1.3 mm 連続波によって特定されたフィラメントは、$H^{13}CO^+$ によって追跡されたものと強く一致している。
• フィラメントによる流入: フィラメント F1、F3、F4 の PV 解析により、10.9 から 22.1 km s$^{-1}$ pc$^{-1}$ に及ぶ高い速度勾配が明らかになった。これらの勾配は、中央ハブを供給するのに十分な、$10^3$ から $5 \times 10^3 M_\odot$ Myr$^{-1}$ のフィラメントに沿ったグローバルな質量流入率を意味している。
• コアの運動学と進化:
  • インフォール・シグネチャ: 大部分の原始星コア（5, 7, 8, 9）は、$H^{13}CO^+$ および CCH において青方偏移の非対称なラインプロファイルを示し、重力崩壊を裏付けている。
  • 膨張／再分配: いくつかの前恒星候補（10, 11, 13）や大質量領域の原始星コアを含むコアは、赤方偏移の非対称なプロファイルを示しており、これはガスの膨張または質量放出を示唆している。
  • インフォール率: ハブ・コアから導出された質量インフォール率は、$\sim 20$ から $196 \times 10^{-5} M_\odot$ yr$^{-1}$ である。注目すべきことに、赤方偏移プロファイルを持つコア（例：10, 11）は負のインフォール率を示しており、質量を失っていることを示唆している。
• 質量－半径関係: ほとんどのコアは低質量星形成領域に存在するが、コア 10, 11, 14 は大質量星形成領域（$m(r) > 870 M_\odot (r/\text{pc})^{1.33}$）に位置している。しかし、これらの大質量候補における赤方偏移プロファイルの存在は、それらが現在、降着しているのではなく物質を失っていることを示唆している。
• 階層的質量降着: 本研究は以下の階層的な流れを確立した：
  • グローバルスケール ($R \sim 0.74$ pc): $\dot{M} \sim 10^4 M_\odot$ Myr$^{-1}$
  • フィラメントスケール ($R \sim 0.3$ pc): $\dot{M} \sim 10^3 M_\odot$ Myr$^{-1}$
  • コアスケール: $\dot{M} \sim 10^2 M_\odot$ Myr$^{-1}$
    極めて重要なことに、フィラメント上に位置しながらハブの外側にあるコア（例：10, 11）は、中央ハブに向かって質量を送り込んでいるように見え、一方でハブ内のコア（例：7, 8）は最も高い降着率を示している。

意義と主張
著者らは、これらの結果が G318.049+00.086 における大質量星形成の競争降着シナリオを支持すると主張している。証拠は、ガスが単に孤立した大質量コアに降着しているのではなく、重力的に支配的なコア（フィラメント上に位置する）から、重力的に有利な中央ハブに位置するコアへと動的に送り込まれていることを示唆している。

論文は、フィラメントに沿った高い質量流入率（$> 10^3 M_\odot$ Myr$^{-1}$）が中央ハブの成長を維持できると主張している。星形成効率（SFE）を 20–30% と仮定すると、$2 \times 10^4$ 年のタイムスケールで蓄積された質量は、大質量星を形成するのに十分である。ハブの外側にある大質量候補で見られる赤方偏移プロファイルと、ハブ内での青方偏移プロファイルとの対比は、中央の重力ポテンシャル井戸が降着流を支配するという、競争降着モデルの予測と一致する、活発な質量再分配プロセスを示している。