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

技术摘要：ATOMS-QUARKS 巡天：大质量原星团 G318.049+00.086 中的流入与坍缩

问题陈述
由于大质量恒星（$\ge 8 M_\odot$）稀有、演化迅速且处于深埋的集群环境中，其形成机制仍然是一个争论的主题。两种主要的理论框架正在竞争：一种是“湍流核心模型”，该模型认为大质量恒星形成于孤立的大质量前恒星核心的坍缩；另一种是“团块喂养模型”（包括竞争性吸积、惯性流入和全局层次坍缩），该模型认为大质量恒星通过从大规模储库中吸积气体而生长。虽然观测证据已经显示了沿纤维状结构的大尺度流入现象，但仍需要进行同步的多尺度气体动力学分析——从秒差距尺度的纤维状结构到单个核心的坍缩——以区分这些情景。本研究针对大质量原星团 G318.049+00.086 的气体动力学进行了研究，旨在调查其动力学是否支持竞争性吸积情景。

方法论
作者利用来自三个 ALMA 巡天的数据，对 G318.049+00.086（距离 $\approx 2.9$ kpc）进行了多尺度气体动力学研究：

1. ATMS (Band 3)： 用于 $H^{13}CO^+$ (1–0)、CCH (1–0) 和 CS (2–1) 谱线，以追踪全局动力学并推导柱密度。
2. QUARKS (Band 6)： 提供了高分辨率（$\sim 0.3''$）的 1.3 mm 尘埃连续谱图，用于识别纤维状结构和致密核心。
3. ASSEMBLE (Band 6)： 提供了高密度示踪物（$H^{13}CN$ (4–3)、$CH_3OH$）以确定系统速度（$V_{lsr}$）并确认光厚效应。

分析过程包括：

• 纤维状结构识别： 对 $H^{13}CO^+$ 的 moment-0 图和 1.3 mm 连续谱图应用 FilFinder 算法，以识别中心枢纽-纤维状结构系统（HFS）。
• 柱密度制图： 在局部热力学平衡（LTE）假设下（假设丰度比为 $10^{-11}$），从 $H^{13}CO^+$ 发射中推导 $N(H_2)$ 图。
• 动力学分析： 沿纤维状结构骨架构建位置-速度（PV）图，以测量速度梯度，并使用圆柱模型计算质量流入率 ($\dot{M}_{\parallel}$)。
• 核心动力学： 分析 $H^{13}CO^+$ 和 CCH 的光谱轮廓，以识别指示坍缩或膨胀的非对称谱线形状（蓝不对称 vs 红不对称轮廓）。通过使用 Hill5 辐射转移模型拟合观测光谱来推导坍缩速度 ($V_{in}$)。
• 质量吸积： 计算单个核心的质量坍缩率 ($\dot{M}_{in}$)，并将其与纤维状结构流入率进行比较，以评估质量转移效率。

主要贡献与结果

• 中心枢纽-纤维状结构系统识别： 研究证实 G318.049+00.086 是一个中心枢纽-纤维状结构系统，其中四个主要的纤维状结构（F1–F4）汇聚到一个致密的中心枢纽中。在 1.3 mm 连续谱中识别出的纤维状结构与 $H^{13}CO^+$ 追踪到的纤维状结构高度一致。
• 纤维状结构流入： 对纤维状结构 F1、F3 和 F4 的 PV 分析显示出高速度梯度，范围为 10.9 至 22.1 km s$^{-1}$ pc$^{-1}$。这些梯度意味着沿纤维状结构的全局质量流入率在 $10^3$ 到 $5 \times 10^3 M_\odot$ Myr$^{-1}$ 之间，足以供给中心枢纽。
• 核心动力学与演化：
  • 坍缩特征： 大多数原恒星核心（5, 7, 8, 9）在 $H^{13}CO^+$ 和 CCH 中表现出蓝不对称谱线轮廓，证实了引力坍缩。
  • 膨胀/重新分布： 若干个核心，包括一些前恒星候选体（10, 11, 13）以及处于大质量阶段的原恒星核心，表现出红不对称轮廓，表明存在气体膨胀或质量损失。
  • 坍缩率： 推导出的枢纽核心质量坍缩率范围为 $\sim 20$ 至 $196 \times 10^{-5} M_\odot$ yr$^{-1}$。值得注意的是，具有红轮廓的核心（如 10, 11）表现出负的坍缩率，表明它们正在失去质量。
• 质量-半径关系： 虽然大多数核心处于低质量恒星形成阶段，但核心 10, 11 和 14 位于大质量恒星形成阶段（$m(r) > 870 M_\odot (r/\text{pc})^{1.33}$）。然而，这些大质量候选体中红轮廓的存在表明，它们目前正在失去物质而非吸积物质。
• 层次化质量吸积： 研究建立了层次化流动：
  • 全局尺度 ($R \sim 0.74$ pc)：$\dot{M} \sim 10^4 M_\odot$ Myr$^{-1}$。
  • 纤维状结构尺度 ($R \sim 0.3$ pc)：$\dot{M} \sim 10^3 M_\odot$ Myr$^{-1}$。
  • 核心尺度：$\dot{M} \sim 10^2 M_\odot$ Myr$^{-1}$。
    至关重要的是，位于纤维状结构上但位于枢纽之外的核心（如 10, 11）似乎正在将质量向中心枢纽输送，而枢纽内的核心（如 7, 8）则表现出最高的吸积率。

意义与主张
作者认为，其结果支持了 G318.049+0.086 中的竞争性吸积情景。证据表明，气体并非仅仅吸积到孤立的大质量核心上，而是被动态地从引力优势较小的核心（位于纤维状结构上）向位于引力有利的中心枢纽中的核心输送。

论文声称，沿纤维状结构的高质量流入率（$> 10^3 M_\odot$ Myr$^{-1}$) 可以维持中心枢纽的增长。假设恒星形成效率（SFE）为 20–30%，在 $2 \times 10^4$ 年的时间尺度内积累的质量足以形成大质量恒星。观察到枢纽外的质量候选体具有红轮廓，而枢纽内的核心具有蓝轮廓，这表明存在一个活跃的质量重新分布过程，其中中心势阱主导了吸积流，这与竞争性吸积模型的预测相一致。