ALMA High-resolution Observation of the HH46/47 Outflow/disk/envelope System

技術要約：HH 46/47 アウトフロー／円盤／エンベロープ系におけるALMA高解像度観測

問題と動機
低質量星形成には、分子雲コアが原始星円盤、流入・回転するエンベロープ、および双極アウトフローからなる系へと崩壊する過程が含まれる。高速でコリメートされたジェットの起源は、広く内側の星・円盤系における磁気流体力学（MHD）プロセスに帰せられるが、より低速で広角な分子アウトフローの起源については依然として議論の余地がある。主に2つのシナリオが存在する。一つは古典的な巻き込み（entrainment）モデルであり、周囲のガスがジェットや広角風によって掃き上げられるというものである。もう一つは円盤風モデルであり、物質が円盤から直接放出されるというものである。分子線放射は、一次的な風そのものではなく、巻き込まれた物質をトレースすることが多いため、両者を区別することは困難である。さらに、連星性が円盤構造やアウトフローの形態に与える影響も完全には理解されていない。HH 46/47系は、連星であることが知られている低質量Class I原始星であり、重要なケーススタディを提供するが、その内側の円盤・エンベロープ系およびアウトフローシェルの運動学は、これまで低解像度（~1″）でしか研究されてこなかった。

手法
著者らは、2019年に取得されたHH 46/47の高解像度（0.1″、45 au）ALMA Band 6 (1.3 mm) 観測結果を提示している。これらのデータは、アウトフローの基部と星周環境を包括的にカバーするために、以前に取得された低解像度のALMAデータ（2016年）と組み合わされた。

• 連続波解析： 1.3 mm連続波は、光学的に薄い放射と100のガス対ダスト比を仮定して、ダスト分布のマップ作成とガス質量の推定のために分析された。
• 分子線トレーシング： 異なる物理領域を探索するために、複数の分子トレーサー（C$^{18}$O、SO、H$_2$CO、CH$_3$OH、および$^{12}$CO）が使用された。アウトフロー軸に対して垂直な位置速度（PV）図が作成された。
• エンベロープ／円盤モデリング： 中心質量と遠心力障壁半径を導出するために、C$^{18}$OおよびSOのPV図に対して、流入・回転エンベロープ（IRE）の解析モデルがフィッティングされた。
• アウトフロー運動学： 明確に定義された赤方偏移シェル（Sr2）に対して、モデルに依存しない解析が行われた。座標系を定義し、横方向のPV図をフィッティングすることで、シェルの3次元形態と速度成分（軸方向 $V_z$、回転 $V_\phi$、および半径方向 $V_r$）を導出した。
• アウトフロー率： 定数速度や直接的な放出に関する仮定を避けるため、「リング法」を用いて、$^{13}$COおよびC$^{18}$Oによる光学的厚さの補正を行った$^{12}$COから、質量、運動量、および運動エネルギーの分布を算出した。

主な結果

1. 連続波と連星構造： 1.3 mm連続波は、コンパクトな中心源（Source A）と、その周囲の広がった放射を明らかにしている。以前に可視光・赤外線で特定された伴星（Source B）は、ミリ波連続波のピークとしては検出されず、代わりに局所的な強度極小部と一致している。Source AからSource Bに向かって伸びるスパイク状の構造が2つ見られ、これはサーカムバイナリ円盤における重力的摂動と解釈される。
2. 円盤・エンベロープ系： C$^{18}$Oは広がったエンベロープをトレースし、SOは内側のエンベロープを探査している。H$_2$COおよびCH$_3$OHは、遠心力障壁付近のコンパクトでより高速に回転する構造をトレースしている。データは、0.3 $M_\odot$ の原始星の周囲にある半径~30 auの円盤へと遷移する、回転・流入エンベロープによってよく再現されている。
3. アウトフロー形態： $^{12}$CO放射は、赤方偏移および青方偏移の両方のローブにおいて、複数の入れ子状のシェル構造を明らかにしている。赤方偏移ローブは、明確なシェル（Sr1, Sr2, Sr3）を持つ、より複雑な形態を示している。
4. シェルの運動学： Sr2シェルの解析により、物質はシェルの表面に沿って流れるのではなく、半径方向に膨張していることが示された。横方向の速度勾配は検出されているものの、それを回転と解釈すると、標準的な円盤風モデルとしては物理的に大きすぎる磁気レバーアーム（$\lambda \sim 19-32$）が得られる。
5. アウトフローの起源： 半径方向の膨張、円盤風に期待される速度層状構造の欠如、およびCOシェルと衝撃励起されたH$_2$ガス（シェルの内部）との空間的関係は、いずれも巻き込みシナリオを強く支持している。アウトフローは、広角風またはジェット駆動のボウショックによって周囲の物質を掃き上げている可能性が高い。
6. エネルギー論： 導出された質量放出率（$\dot{M} \approx 29 M_\odot \text{Myr}^{-1}$）と運動エネルギー注入率は、この高解像度研究でトレースされた高速度により、平均的なClass Iアウトフローよりも著しく高い。このアウトフローは、典型的なClass 0+Iの進化タイムスケール内で、残存するコアを分散させる能力を持っている。

意義と主張
本論文は、HH 46/47系においてこれまでで最高解像度のミリ波観測を提供したと主張しており、サーカムバイナリ構造とアウトフローの基部を解明している。その主要な貢献は、アウトフローシェルのモデルに依存しない運動学的解析であり、これがこの天体における直接的な円盤風解釈に疑問を投げかけている点にある。シェルが半径方向に膨張していること、および推論される磁気レバーアームが標準的な円盤風理論と矛盾することを示すことで、著者らは、観測されたCOシェルの運動学は巻き込みメカニズムによってより良く説明されると論じている。さらに、本研究は連星の性質を明確にし、伴星がミリ波放射を遮蔽するような、より進化した状態またはフェイスオンの状態にあることを示唆しており、また伴星の重力によって誘起されたサーカムバイナリ円盤内のサブ構造を特定している。これらの知見は、連星性が円盤の進化にどのように影響し、アウトフローが星形成を制御するために環境とどのように相互作用するかという、より包括的なイメージに寄与するものである。