CO observations of the molecular gas in the Galactic H ii region Sh2-48: Evidence for cloud–cloud collision as a trigger of high-mass star formation

Abstract

Sh2-48 is a Galactic H ii region, 3.8 kpc distant, with an O9.5-type star identified at its center. As a part of the FOREST Unbiased Galactic plane Imaging survey using the Nobeyama 45 m telescope (FUGIN) project, we obtained a CO J = 1–0 data set for a large area of Sh2-48 at a spatial resolution of 21″ (∼0.4 pc), and used it to find a molecular cloud with a total molecular mass of ∼3.8 × 104 M⊙ associated with Sh2-48. The molecular cloud has a systematic velocity shift in a velocity range of ∼42–47 km s−1. On the lower-velocity side the CO emission spatially corresponds to the bright 8 μm filament at the western rim of Sh2-48; however, the CO emission with higher velocities separates into the eastern and western sides of the 8 μm filament. This velocity variation forms a V-shaped feature in the east–west direction on the position–velocity diagram. We found that these lower- and higher-velocity components are, unlike the infrared and radio-continuum data, physically associated with Sh2-48. To interpret the observed V-shaped velocity distribution, we assess a cloud–cloud collision scenario, and found, from a comparison between observations and simulations, that the velocity distribution is an expected outcome of a collision between a cylindrical cloud corresponding to the lower-velocity component and a spherical cloud, and that the two separate higher-velocity components are interpretable as collision-broken remnants of the spherical cloud. Based on the consistency between an estimated formation timescale of the H ii region, ∼1.3 Myr, and a timescale of the collision, we conclude that the high-mass star formation in Sh2-48 was triggered by the collision.

Memo

Sh2-48は、中心星BD -14 5014によって電離された銀河系のHII領域であり、PAH放射（8 μm）による4つのフィラメント構造が、電離ガス（20 cm）や温かい塵（24 μm）を包み込むようなバブル構造を形成している
Sh2-48に付随する分子雲は、約15×20 pcの広がりを持ち、フィラメント状や塊状の構造を含む高密度なガスで構成されている
中央の明るいCO放射はフィラメントWと一致する一方で、フィラメントSはガス構造の北端に位置しており、フィラメントE1・E2については対応する分子ガスの存在が判然としない
Sh2-48の分子ガスは速度帯によって分布が異なり、低速度成分（LVC）はフィラメントWに沿って伸びているのに対し、高速度成分（HVC）はフィラメントWの両側に分かれた断片的な構造（HVC-E/W）として存在しており、中間速度域でこれらが複雑に絡み合っている
フィラメントWに垂直な座標系で解析した結果、中心のLVCから両側のHVCにかけて速度が連続的に変化するV字型の速度勾配が判明し、これらがSh2-48分子雲という単一の巨大な天体であることが裏付けられた
Sh2-48分子雲の質量解析の結果、総質量は約3.8 x 10^5 太陽質量（3.8kpc仮定）であり、LVC、HVC、中間速度域の各成分がそれぞれ約1.2〜1.4 x 10^5 太陽質量ずつを占めるという、各速度成分間でバランスの取れた質量配分が明らかになった
FUGINのCOデータと他波長データの比較から、フィラメントWはLVCと、フィラメントSはHVC-Eと空間的に相関しており、特にフィラメントSのPAH放射がガス構造の北端で卓越していることは、大質量星BD -14 5014からの励起放射をHVC-Eが北側から受けている位置関係を示唆している
13COとHα輝線の比較により、LVCはHα放射を遮蔽する手前側に位置し、一方でHVC-EはHαとの明瞭な相関がないことからHII領域の内部または背後に位置していることが示唆され、PV図で繋がっていた両成分が視線方向ではHII領域を挟んで反対側に配置されていることが判明した
13COとMAGPIS 20cm（電波連続波）データの比較により、LVCの東側での電波強度の増大、中間速度成分による電波放射南端の包囲、そしてHVC-Eが電波放射の東側に位置する分布特徴が確認され、これら全速度成分がSh2-48と物理的に相互作用していることが示された
SpitzerおよびAKARIの観測により特定された若い星（YSO）候補天体の分布をN(H2)マップに重ねた結果、Sh2-48分子雲内の高密度クランプに一致するYSO候補が複数確認され、現在進行中の星形成活動が示唆されたが、大質量YSOやプロトスターの存在を示す兆候は見出されなかった
MAGPIS 20cmデータから得られたライマン連続光子数に基づき、D型膨張モデルを用いてSh2-48の年齢を推定した結果、HII領域の進化時間は約1.3〜3 Myrと算出されたが、このモデルが予測する膨張速度（1〜2 km/s）は、観測された分子雲の速度幅（約5 km/s）よりも有意に小さいことが示された
Sh2-48分子雲で見られるV字型の速度分布について、HII領域の膨張モデルによる検討を行った結果、理論上の膨張速度（約1–2 km/s）が観測値に及ばないだけでなく、HII領域の外側に位置するHVC-Wにも速度勾配が存在すること、また隣接するG16.4−0.2との物理的相互作用も否定的なことから、この速度構造の起源を単なるHII領域の膨張のみに求めることは困難である
観測されたV字型の速度分布は2つの分子雲の衝突（CCC）の結果であると解釈され、垂直に伸びた円筒状の分子雲（LVC）に球状の分子雲が衝突し、後者が二分割されてHVC-EおよびHVC-Wとなったと考えられる
PV図におけるV字型の中間速度ガスは、雲衝突に伴う乱流励起によって生じた成分であり、これが観測されることは衝突プロセスが現在進行中であることを示唆している
C18O輝線が広域に検出されている事実は、衝突による強力なガス圧縮が生じていることを裏付けており、CCCシナリオの妥当性を物理的に裏付けている
観測された網目状のフィラメント構造は、Inoue et al. (2018) 等の磁気流体シミュレーションが示す通り、衝突境界における圧縮と乱流によって形成された構造と整合している
衝突速度を平均6 km/sと仮定すると、HII領域Sh2-48の1.3 Myrという形成時間の間の移動距離（約7.8 pc）が分子雲サイズより小さいため衝突が現在も継続しているという観測事実と矛盾せず、今後もさらなる星形成が誘発される可能性が示唆される
20cmや赤外線のピークから推定される総ライマン連続光子数は既知のBD -14 5014（O9.5V星）だけでは到底足りず、高密度ガス（Av 約32 mag）に隠されたより高輝度なO型星候補（2MASS J18221198-1441049）が雲衝突の中心部に存在することが示唆される