[論文レビュー] A fast tree-based method for estimating column densities in Adaptive Mesh Refinement codes Influence of UV radiation field on the structure of molecular clouds

Valeska Valdivia, P. Hennebelle|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 33被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、適応メッシュ細分化（AMR）コードにおけるカラム密度推定のための高速で木構造に基づくアルゴリズムを提示し、分子雲シミュレーション中に効率的なリアルタイム放射移動計算を可能にしている。この手法は計算コストを O(N log N) に低減し、プロセッサ間通信を最小限に抑え、消光では10%未満、カラム密度推定では50%未塔の誤差を達成している。また、UVスクリーニングが高密度ガスを優先的に冷却し、ジェイムズ質量を低下させ、凝縮を促進することが明らかになった。その結果、スクリーニングを含むシミュレーションでは、よりコンactで高密度のクラスタが形成された。

ABSTRACT

Context. Ultraviolet radiation plays a crucial role in molecular clouds. Radiation and matter are tightly coupled and their interplay influences the physical and chemical properties of gas. In particular, modeling the radiation propagation requires calculating column densities, which can be numerically expensive in high-resolution multidimensional simulations. Aims. Developing fast methods for estimating column densities is mandatory if we are interested in the dynamical influence of the radiative transfer. In particular, we focus on the effect of the UV screening on the dynamics and on the statistical properties of molecular clouds. Methods. We have developed a tree-based method for a fast estimate of column densities, implemented in the adaptive mesh refinement code RAMSES. We performed numerical simulations using this method in order to analyze the influence of the screening on the clump formation. Results. We find that the accuracy for the extinction of the tree-based method is better than 10%, while the relative error for the column density can be much more. We describe the implementation of a method based on precalculating the geometrical terms that noticeably reduces the calculation time. To study the influence of the screening on the statistical properties of molecular clouds we present the probability distribution function (PDF) of gas and the associated temperature per density bin and the mass spectra for different density thresholds. Conclusions. The tree-based method is fast and accurate enough to be used during numerical simulations since no communication is needed between CPUs when using a fully threaded tree. It is then suitable to parallel computing. We show that the screening for far UV radiation mainly affects the dense gas, thereby favoring low temperatures and affecting the fragmentation.

研究の動機と目的

• 分子雲の高解像度・多次元シミュレーションにおけるカラム密度計算の計算課題に対処すること。
• リアルタイムでのカラム密度推定を可能にする高速で並列処理可能な手法を開発し、シミュレーション中に放射移動効果をモデル化すること。
• UV放射スクリーニングが、特に高密度領域における分子雲の力学的・熱的構造に与える影響を調査すること。
• UVスクリーニングがクラスタ形成およびガスの統計的性質（例：PDFや質量スペクトル）に与える影響を評価すること。

提案手法

• RAMSES AMRコードに木構造に基づくアルゴリズムを実装し、階層的な木構造を活用してカラム密度を効率的に計算する。
• 木の走査中に、距離が増加するセルからの寄与を集める「ゲザー法」を用い、全4πステラジアンの立体角を近似する。
• 幾何的項を事前に計算して保存するモジュールを導入し、計算時間を短縮しながらも精度を損なわないようにする。
• セルの角度サイズと距離に重みをかけた寄与を木構造内のセルから合算することでカラム密度を推定する。解像度に依存する寄与を含む。
• 推定されたカラム密度を用いて消光を計算し、赤外線領域のUV放射に対するダストのスクリーニング効果をモデル化する。
• この手法をシミュレーションに適用し、UVスクリーニングありとなしの結果を比較し、ガス温度、密度のPDF、クラスタ質量関数の差異を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高解像度のAMRシミュレーションにおいて、顕著な精度損失なしにカラム密度推定をどのように高速化できるか？
• RQ2 UV放射スクリーニングは、分子雲の熱的および力学的構造にどのような影響を及えるか？
• RQ3 UVスクリーニングの導入が、高密度クラスタの形成および構造の質量スペクトルに与える影響は何か？
• RQ4 湍流的で自己重力を持つガスにおいて、UVスクリーニングはジェイムズ質量および凝縮効率をどの程度変化させるか？

主な発見

• 木構造ベースの手法は、相対誤差が最大50%に達するが、消光マップの誤差は10%未塔である。
• この手法は並列計算に対して非常に効率的であり、木構造が完全にスレッド化されている限り、プロセッサ間通信は不要である。
• UVスクリーニングは、冷たい中性媒体（CNM）の温度を最大50%まで低下させるが、温かいガス（WNM）にはほとんど影響しない。
• UVスクリーニングによる冷却のおかげで、高密度領域のジェイムズ質量が低下し、小スケール構造の重力収縮が促進される。
• UVスクリーニングを含むシミュレーションでは、密度閾値が2500 cm⁻³以上の場合に特に、よりコンactで高密度のクラスタが形成されることが質量スペクトルから明らかになった。
• UVスクリーニングを含むと、ガスおよび温度の密度ビンごとの確率密度関数（PDF）が、高密度領域でより顕著にずれる。