Research and study of the early phases of massive star formation
Recherche et étude des phases précoces de la formation des étoiles massives
Résumé
The study of the early phases of high-mass star formation (M>8Msol) is a major yet poorly understood topic in astrophysics. To elucidate which precise processes of formation are in action, it is vital to identify and study the earliest phases of formation, even before the birth of a protostar. These objects, called prestellar cores, allow us to observe the processes in action. Thanks to the ALMA-IMF survey, we have been able to construct for the first time a sample of high-mass prestellar cores discovered homogeneously in a single survey. This allows us to study this statistical sample and propose strong clues about the dominant processes in high-mass star formation.To do this, we first developed a new systematic method for detecting protostellar outflows to differentiate prestellar from protostellar cores. Cores without significant outflows are considered as excellent candidates to be prestellar cores. The method compares the spectrum towards the source (On) with the spectrum averaged in its nearby environment (Off) and determines if the source shows an excess of high-velocity emission indicative of a molecular outflow within the core itself. The molecular transitions CO(2-1) and SiO(5-4) are used to identify these molecular outflows. We also construct and use high-velocity molecular emission maps around each core to complete and accelerate the method.Thanks to this method, we identified 42 prestellar cores among the 141 cores with a mass greater than 8 Msol, 12 of which are more massive than 16 Msol and are the best candidates for being precursors of high-mass stars. These high-mass prestellar core candidates range in mass up to 55 Msol and appear located in the most central and dense regions of star-forming regions, where confusion with molecular outflows from nearby high-mass protostars is significant. The significant statistics of prestellar and protostellar cores allowed us to calculate the best statistical lifetimes of the massive prestellar phase ever obtained. By adopting two different protostellar evolution assumptions, we obtain lifetimes between 120,000 and 240,000 yr for masses between 8 and 16 Msol, and between 50,000 and 100,000 yr for masses between 30 and 55 Msol. These lifetimes are shorter than those observed for the low-mass prestellar phase (10^6 yr) but much longer (10 to 30 times) than the free-fall times of the cores, suggesting a collapse slowed by magnetic fields, rotation, or turbulence.An analysis of the molecular emission properties of the 12 most massive candidates showed that turbulence, traced by velocity dispersion in molecular lines, is insufficient to counter gravity for 80% of the prestellar candidates. A virial analysis shows that a magnetic field of about 10 mG would be necessary to explain the stability of these cores. Such a magnetic field intensity is not excluded for these new cores and will need to be measured through dust emission polarization. Alternatively, strong rotation expected in these cores could, on small scales, prevent rapid protostar formation with high accretion rates. This second hypothesis can be tested with higher spatial resolution molecular observations with ALMA.In conclusion, (1) high-mass prestellar cores exist and can be revealed by a systematic search for molecular outflows in the densest and most confused regions of high-mass star formation; (2) their lifetimes suggest support beyond turbulence, likely magnetic or rotational, delaying immediate collapse.
L’étude des phases précoces de la formation des étoiles massives (M>8Msol) est un sujet majeur de l’astrophysique encore mal compris. Pour élucider les processus précis de formation en action, il est vital d'identifier et d’étudier les plus phases les plus précoces de la formation, avant même la naissance d’une proto-étoile. Ces objets dits cœurs préstellaires permettent d’observer directement les processus à l’œuvre. Grâce au relevé ALMA-IMF, nous avons pu pour la première fois construire un échantillon de cœurs préstellaires massifs découverts de façon homogène dans un seul relevé. Cela nous permet d’étudier cet échantillon statistique et de proposer des pistes fortes de processus dominant la formation des étoiles massives.Pour cela, nous avons d’abord développé une nouvelle méthode systématique de détections d’éjections protostellaires dans le but de pouvoir différencier les cœurs préstellaires des protostellaires. Les cœurs ne présentant pas d’éjection sont d’excellents candidats pour être préstellaires. La méthode compare le spectre vers la source (On) avec celui moyenné dans son environnement proche (Off) et détermine si la source présente un excès d’émission à grande vitesse révélatrice d’un flot moléculaire dans le cœur lui-même. Les transitions moléculaires CO(2-1) et SiO(5-4) sont utilisées afin d’identifier ces flots moléculaires. Nous construisons et utilisons également des cartes d’émissions moléculaires à hautes vitesses afin de compléter et d’accélérer la méthode.Grâce à cette méthode, nous avons identifié 42 cœurs préstellaires parmi les 141 cœurs avec une masse supérieure à 8 Msol, dont 12 sont plus massifs que 16 Msol et sont les meilleurs candidats pour être des précurseurs d’étoiles massives. Ces candidats de cœurs préstellaires massifs couvrent des masses jusqu’à 55 Msol et apparaissent situés dans les régions les plus centrales et denses des régions de formation, où la confusion avec les flots moléculaires émanant des protoétoiles massives proches est importante. La statistique importante de cœurs pré et protostellaires a permis de calculer les meilleurs temps de vie statistiques de la phase préstellaire massive jamais obtenus. En adoptant deux hypothèses d’évolution protostellaire différentes, nous obtenons des temps de vie entre 120.000 et 240.000 ans pour des masses comprises entre 8 et 16 Msol, et entre 50.000 et 100.000 ans pour des masses entre 30 et 55 Msol. Ces temps de vie sont plus courts que ceux observés pour la phase préstellaire de faible masse (10^6 ans), mais beaucoup plus longs (10 à 30 fois) que les temps de chute libre des cœurs, suggérant un effondrement ralenti par le champ magnétique, la rotation ou la turbulence.Une analyse des propriétés de l'émission moléculaire des 12 candidats les plus massifs a montré que la turbulence, tracée par la dispersion de vitesse dans les raies moléculaires, n'est pas suffisante pour contrer la gravité pour 80 % des candidats préstellaires. Une analyse du Viriel montre qu’un champ magnétique de l’ordre de 10 mG serait nécessaire afin d’expliquer la stabilité de ces cœurs. Une telle intensité du champ magnétique n’est pas exclue pour ces nouveaux cœurs et demandera à être mesurée grâce à la polarisation de l’émission des poussières. Alternativement, il est possible que la rotation forte attendue de ces cœurs pourrait à petites échelles empêcher une formation rapide d’une protoétoile accrétant à haut taux. Cette seconde hypothèse pourra être testée par des observations moléculaires à plus haute résolution spatiale avec ALMA.Il ressort donc que (1) les cœurs préstellaires massifs existent et peuvent être révélés par une recherche systématique de flots moléculaires dans les régions les plus denses et confuses de formation d’étoiles massives ; (2) leurs temps de vie suggèrent un soutien au-delà de la turbulence, probablement magnétique ou rotationnel, retardant l'effondrement immédiat.
Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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