Star cluster progenitors are dynamically decoupled from their parent molecular clouds
The formation of stellar clusters dictates the pace at which galaxies evolve, and solving the question of their formation will undoubtedly lead to a better understanding of the Universe as a whole. While it is well known that star clusters form within parsec-scale overdensities of interstellar molecular gas called clumps, it is, however, unclear whether these clumps represent the high-density tip of a continuous gaseous flow that gradually leads towards the formation of stars, or a transition within the gas physical properties. Here, we present a unique analysis of a sample of 27 infrared dark clouds embedded within 24 individual molecular clouds that combine a large set of observations, allowing us to compute the mass and velocity dispersion profiles of each, from the scale of tens of parsecs down to the scale of tenths of a parsec. These profiles reveal that the vast majority of the clouds, if not all, are consistent with being self-gravitating on all scales, and that the clumps, on parsec-scale, are often dynamically decoupled from their surrounding molecular clouds, exhibiting steeper density profiles (ρ∝r−2) and flat velocity dispersion profiles (σ∝r0), clearly departing from Larson’s relations. These findings suggest that the formation of star clusters correspond to a transition regime within the properties of the self-gravitating molecular gas. We propose that this transition regime is one that corresponds to the gravitational collapse of parsec-scale clumps within otherwise stable molecular clouds.
Memo
- 雲の重力結合が非結合から結合に変わるスケール/密度の閾値があるとすれば、個々の雲のビリアル比は、特定のスケールで何らかのブレークを示すはずである(page.2936)
- 広がった分子雲の速度分散を推定する際は、個々のガウス成分からの寄与に加え、成分間の中心速度分散を考慮する必要がある(page.2941)
- 雲とクランプそれぞれのm(r)は、ほぼ2 pcのスケールでつながっており、その形状を見ると、クランプのm(r)は雲のm(r)よりも曲線的で勾配が浅いことがわかる(page.2944)
- 雲とクランプの速度分散の間には大きい不連続がみられ、雲の速度分散が半径と正の相関を持つのに対してクランプの速度分散は平坦である(page.2944)
- ビリアル比は速度分散の影響で2 pc付近で不連続であり、雲のビリアル比は半径と負の相関を持つのに対し、クランプのビリアル比はm(r)の影響で曲線的になっていることがわかる(page.2944)
- 一様密度球では αvir = 2E_k / |E_G| = 2 を境にで重力的に束縛されているかそうでないかが決まるが、ρ ∝ r^−1、ρ ∝ r^−1.5、ρ ∝ r^−2 では境界の値がそれぞれ2.2、2.5、3.3に変わる(page.2948)
- 分子雲コアの表面の運動エネルギーは中心に匹敵するほど大きく、それによりコアが重力的にバウンドしていても引き裂かれる可能性がある(Dib+07, Weis+22)(page.2948)
- 分子雲内の異なる半径でビリアル比を測定することで、ある半径での表面運動エネルギーが、より大きな半径では体積運動エネルギーの一部として確認できる(page.2948)
- 雲の質量表面密度Σ_gasとパラメータ p = σv/√R をプロットしてH09と比較した結果、雲の密度分布が ρ ∝ r^-1 に近く、速度分散分布がσ ∝ r^0.5に近いことがわかった(page.2950-2951)
- 高い質量面密度を持つクランプは、非常に複雑な運動学を持つ親雲を優先的に持つが、分子雲内の複雑な速度場が高質量面密度クランプの形成に必要なのか、あるいは高質量面密度クランプとそれに伴う恒星のフィードバックが、より大きなスケールで複雑な速度場を生成する原因なのかは、まだ解明されていない(page.2952)
- この研究により、
- クラスターを形成する分子雲の大部分は、全てのスケールで自己重力的である
- 雲の拡散部分は浅い密度分布(γ ∼ 1)、クランプは急峻な密度分布(γ ∼ 2)を持つ
- 速度分散分布は、ほとんどの雲で、雲の拡散部分ではβ ∼ 0,5、クランプではβ ∼ 0に切り替わる ことがわかり、これは、安定した分子雲に埋め込まれた高密度クランプの普遍的な全球崩壊によって最もよく説明される(page.2954)