Abstract

Context. Star formation takes place in giant molecular clouds, resulting in mass-segregated young stellar clusters composed of Sun-like stars, brown dwarfs, and massive O-type(50–100 M) stars.Aims. We aim to identify candidate hub-filament systems (HFSs) in the Milky Way and examine their role in the formation of the highest mass stars and star clusters.Methods. The Herschel survey HiGAL has catalogued about 105 clumps. Of these, approximately 35 000 targets are detected at the 3σ level in a minimum of four bands. Using the DisPerSE algorithm we detect filamentary skeletons on 10′ × 10′ cut-outs of the SPIRE 250 μm images (18′′ beam width) of the targets. Any filament with a total length of at least 55′′ (3 × 18′′) and at least 18′′ inside the clump was considered to form a junction at the clump. A hub is defined as a junction of three or more filaments. Column density maps were masked by the filament skeletons and averaged for HFS and non-HFS samples to compute the radial profile along the filaments into the clumps.Results. Approximately 3700 (11%) are candidate HFSs, of which about 2150 (60%) are pre-stellar and 1400 (40%) are proto-stellar. The filaments constituting the HFSs have a mean length of ~10–20 pc, a mass of ~5 × 104 M, and line masses (ML) of ~2 × 103 M pc−1. All clumps with L > 104 L and L > 105 L at distances within 2 and 5 kpc respectively are located in the hubs of HFSs. The column densities of hubs are found to be enhanced by a factor of approximately two (pre-stellar sources) up to about ten (proto-stellar sources).Conclusions. All high-mass stars preferentially form in the density-enhanced hubs of HFSs. This amplification can drive the observed longitudinal flows along filaments providing further mass accretion. Radiation pressure and feedback can escape into the inter-filamentary voids. We propose a “filaments to clusters” unified paradigm for star formation, with the following salient features: (a) low-intermediate-mass stars form slowly (106 yr) in the filaments and massive stars form quickly (105 yr) in the hub, (b) the initial mass function is the sum of stars continuously created in the HFS with all massive stars formed in the hub, (c) feedback dissipation and mass segregation arise naturally due to HFS properties, and explain the (d) age spreads within bound clusters and the formation of isolated OB associations.

Memo

  • フィラメントハブはフィラメントそのものとは対照的に、アスペクト比が低く柱密度が高い
  • フィラメントに沿ったハブへのフローは大質量星形成に十分な流量を持つ
  • フローの流量はハブに付属するフィラメントの量に依存せず、フローが何によって引き起こされているかは不明である
  • すべてのハブが高質量星や星団の形成につながるかどうかは不明だが、HFSの重要性が明白であることを考えると、まずそのような系を偏りのない方法で同定する必要がある
  • ハブフィラメントは、赤外線暗黒雲のような低温高密度領域か、すでに活発な星形成を行っている高い柱密度を持つ星雲のどちらかに属している
  • ハブに属しているフィラメントの方がそうでないフィラメントと比べ長く質量が大きいが、これは遠距離の低質量クランプが検出されづらいことに起因している可能性もある
  • ハブの方がハブ以外のクランプと比べ柱密度が大きい
  • 2 kpc以内にある1e4 L_sun以上の光度のクランプはすべてハブであることから、近傍の大質量星形成領域であるクランプはすべてハブであるといえる
  • 特徴的な密度を持つフィラメント同士が合わさり、高密度・大質量なガスのポケットができることで、大質量星を形成する最も自然な条件が整う
  • フィラメント衝突によるハブ形成には、低質量星を生成しているようなフィラメントが、分子雲内の速度分散やHIIバブルのような外部要素によって駆動されて互いに近づくことが必要になる
  • フィラメント衝突は、既存の高密度コアやフィラメント内部の物質がハブを形成するような形で起こり得る
  • フィラメント衝突は重心からずれた場所で起こる可能性もあり、それによりハブに初期角運動量が生じ、ハブは扁平な形になる
  • ハブは中心にいけばいくほど密度が大きくなるので、ハブはフィラメントと比べ密度が大きく、フィラメントが生成できるよりも質量の大きい大質量星が生成可能になる
  • ハブは最も密度の濃い箇所と二番目に密度の濃い箇所の二箇所で星形成を行うため、ハブ内には質量の微妙に異なる二つの大質量星によるペアが生成される
  • ハブの重力ポテンシャルにより、フィラメントに沿ってハブに向かってガスが流れ込むが、これはハブのガスが尽き、内部の星が主系列星から外れるのを防ぐ
  • 磁場有HFSシミュレーションの研究によれば、磁場と重力が同等の重要性を持ち、乱流はそこまで重要でない(Wang+2019など)
  • フィラメントに沿った物質の流れとハブの密度上昇は初期の局所磁場を圧縮し強度を高め、それによりハブは多数の低質量の破片に分裂することなく安定する
  • ハブにはイオン化ガスや恒星フィードバックを逃がす穴が存在し、穴から漏れ出たガスはフィラメント間に満たされる
  • 大質量星はハブ内で1e5 yrで形成されるが、小質量星はハブが形成される前からフィラメント内部で1e6 yrでゆっくりと形成され、よって小質量星は大質量星からのフィードバックを受けない
  • 衝突前のフィラメントで形成されていた低質量星から、ハブ内で形成され始めた大質量星まで、ハブ系内の星の年齢は幅広い
  • 衝突前のフィラメントが星を形成できるほど肥沃でなかった場合、衝突後のハブにガスのみが流入した結果、小質量星が存在しないようなOB星団が形成されることもある
  • Global Hierarchical Collapse(GHC)は、低質量星が高質量星より先に形成されるという星形成の順序を再現しているが、これはハブで起きている星形成に対応する(page.15)
  • Conveyor Beltは星形成には質量のみが関係し密度によらないとしているが、これはハブフィラメントのモデルとは異なる
  • GHCではすべてのクランプにおいて大質量星が形成されるとされているが、ハブフィラメントのモデルではフィラメントのネットワークを持つクランプのみで大質量星形成が起こる
  • ハブ内のコアやディスクは必ずしも大質量である必要はないが、観測されるコアやディスクは大質量であることから、大質量星では降着の初期には発達した円盤構造が形成されないか、形成されたとしても内側の領域(約100天文単位)だけがケプラー的で、外側の領域(約1000天文単位)はサブケプラー的であることを示唆していると考えられる
  • 小質量星がフィラメントの断片化などで容易に生成される一方で、大質量星を形成するためにはフィラメント→ハブ→ディスクという三段階の質量移動プロセスが必要になる、すなわち、フィラメントから常時ガスが降着し、磁場に支えられ断片化が抑制されたハブやディスク内で大質量星が形成される
  • 初期の進化段階での円盤の検出率が低いことは、大質量星が形成されるハブの中心領域で磁場が強いことを示唆しているのかもしれない
  • B型星によって生じるフィードバックは低エネルギーであるため本質的な星形成の引き金ではなく、ハブやフィラメントの形成を促進することによって星形成を促進する
Built with LogoFlowershow