[論文レビュー] 3D radiative hydrodynamic simulations of protostellar collapse with H-C-O dynamical chemistry

Natalia Dzyurkevich, B. Commerçon+2 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、放射線輸送、ガス-ダスト化学、流体力学を統合した完全な動的H-C-O化学を伴う、最初の3次元放射線流体力学的シミュレーションを、原始星の崩壊に対して実施した。動的化学は、特に1 µmを超えるダスト粒子に対して、COガス相濃度と氷の形成を正確に予測するために不可欠であることが示され、ダストのサイズと分布がイオン化度および磁気拡산に強く影響することも明らかになった。

ABSTRACT

Combining the co-evolving chemistry, hydrodynamics and radiative transfer is an important step for star formation studies. It allows both a better link to observations and a self-consistent monitoring of the magnetic dissipation in the collapsing core. Our aim is to follow a chemo-dynamical evolution of collapsing dense cores with a reduced gas-grain chemical network. We present the results of radiative hydrodynamic (RHD) simulations of 1 M$_\odot$ isolated dense core collapse. The physical setup includes RHD and dynamical evolution of a chemical network. To perform those simulations, we merged the multi-dimensional adaptive-mesh-refinement code RAMSES and the thermo-chemistry Paris-Durham shock code. We simulate the formation of the first hydro-static core (FHSC) and the co-evolution of 56 species describing mainly H-C-O chemistry. Accurate benchmarking is performed, testing the reduced chemical network against a well-establiched complex network. We show that by using a compact set of reactions, one can match closely the CO abundances with results of a much more complex network. Our main results are: (a) We find that gas-grain chemistry post-processing can lead to one order of magnitude lower CO gas-phase abundances compared to the dynamical chemistry, with strongest effect during the isothermal phase of collapse. (b) The free-fall time has little effect on the chemical abundances for our choice of the parameters. (c) Dynamical chemical evolution is required to describe the CO gas phase abundance as well as the CO ice formation for the mean grain size larger then 1$μ$m. (d) Furthermore, dust mean size and size distribution have a strong effect on chemical abundances and hence on the ionization degree and magnetic dissipation. We conclude that dust grain growth in the collapse simulations can be as important as coupling the collapse with chemistry.

研究の動機と目的

• 自己一貫的な放射線流体力学とガス-ダスト化学を用いた原始星の崩壊における化学的力学的進化をモデル化すること。
• 自由落下時間とダスト特性がコア崩壊中の化学的濃度に与える影響を評価すること。
• 正確なCOおよび氷濃度を予測するため、動的化学と後処理静的化学の必要性を評価すること。
• ダスト粒子のサイズとサイズ分布が、崩壊コア内のイオン化度および磁気拡散に与える影響を定量化すること。
• 複雑なネットワークに一致するが、3次元シミュレーションを可能にする計算的に実行可能な簡略化されたH-C-O化学ネットワークを確立すること。

提案手法

• RAMSESの適応メッシュ細分化流体力学コードとPDS熱力学的化学コードを結合し、3次元放射線流体力学と動的化学を実現した。
• 56種類の化学種を用い、計算コストを抑えるためにH-C-O化学に焦点を当てた1 M⊙の孤立した高密度コアの崩壊をシミュレートした。
• 3次元シミュレーションを可能にするために、完全なガス-ダストネットワークとの妥当性が確認された簡略化化学ネットワークを用いた。
• 中心密度が約10^13 cm⁻³、温度が約800 Kに達するまで最初の静的コアの形成を追跡した。
• 最終的な動的構造に対して、拡張された静的化学ネットワークによる後処理を実施し、CO濃度の差を評価した。
• 自由落下時間とダスト粒子サイズ（0.02–0.1 µm）を変化させ、分子の脱結合およびイオン化に与える影響を調査した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由落下時間（すなわち自由落下時間）は、崩壊コア内の化学的濃度にどのように影響するか？
• RQ2 動的化学と後処理静的化学の間で、COガス相濃度を予測する際にどの程度の差が生じるか？
• RQ3 ダスト粒子のサイズとサイズ分布は、原始星コア内の分子の脱結合およびイオン化にどのように影響するか？
• RQ4 ダスト粒子の成長は、崩壊コア内での磁気拡散度の推定精度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 簡略化されたH-C-O化学ネットワークは、完全なガス-ダストネットワークの結果を3次元化学的力学的シミュレーションで正確に再現できるか？

主な発見

• 簡略化されたH-C-O化学ネットワークは、完全なネットワークと良好に一致し、計算的に実行可能な3次元化学的力学的シミュレーションを可能にした。
• 静的化学による後処理では、特に等温崩壊段階において、動的化学によるCOガス相濃度よりも最大1桁低い値が得られた。
• 選択したパラメータにおいて、自由落下時間は化学的濃度にほとんど影響しなかった。これは、動的時間スケールが化学的進化時間スケールを上回っていることを示唆している。
• ダスト粒子が1 µmを超える場合、ガス-ダスト相互作用の時間スケールが動的時間スケールを上回るため、分子の脱結合を正確に予測するには動的化学が不可欠である。
• ダスト粒子サイズを0.02から0.1 µmに変化させると、COおよびH₂Oのガス相濃度に最大2桁の変化が生じ、ダストサイズの重要性が顕著に示された。
• ダスト粒子サイズとサイズ分布は、イオン化度および磁気拡散に強く影響し、化学結合と同様に崩壊シミュレーションにおいて重要であることがわかった。