[論文レビュー] Exposing the plural nature of molecular clouds : Extracting filaments and the CIB against the true scale-free interstellar medium

J.-F. Robitaille, F. Motte+3 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 84被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、波形に基づく手法としてのマルチスケール非ガウス的セグメンテーション（MnGSeg）を紹介する。この手法は、確率的分布関数（PDF）解析とパワー スペクトル分解を組み合わせ、星間媒体マップにおける自己相似的フラクタル構造と整合的でフィラメント状の成分を分離する。ハーシェル観測データを用いたポラリスフレア領域への応用により、フーリエパワー スペクトルがすべてのスケールで階層的なフィラメント構造に支配されており、約0.15 pcのスケールで乱流の支配領域の変化と関連する潜在的転移スケールが特定された。

ABSTRACT

We present the Multiscale non-Gaussian Segmentation (MnGSeg) analysis technique. This wavelet based method combines the analysis of the probability distribution function (PDF) of map fluctuations as a function of spatial scales and the power spectrum analysis of a map. This technique allows us to extract the non-Gaussianities identified in the multiscaled PDFs usually associated with turbulence intermittency and to spatially reconstruct the Gaussian and the non-Gaussian component of the map. This new technique can be applied on any data set. Here, it is applied on a Herschel column density map of the Polaris flare cloud. The first component has by construction a self-similar fractal geometry as the one produced by fractional Brownian motion simulations. The second component is called the coherent component, by opposition to fractal, and includes a network of filamentary structures which demonstrates a spatial hierarchical scaling, i.e. filaments inside filaments. The power spectrum analysis of both components proves that the Fourier power spectrum of the initial map is dominated by the power of the coherent filamentary structures across almost all spatial scales. The coherent structures contribute progressively, more and more from large to smaller scales, without producing any break in the inertial range. We suggest that this behaviour is induced, at least partly, by inertial-range intermittency, a well known phenomenon for turbulent flows. We also demonstrate that the MnGSeg technique is a very sensitive signal analysis technique, which allows the extraction of the cosmic infrared background (CIB) signal present in the Polaris flare submillimeter observations and the detection of a characteristic scale for 0.1 < l < 0.3 pc whose origin could partly be the transition of regimes dominated by incompressible turbulence versus compressible modes and other physical processes, such as gravity.

研究の動機と目的

• 星間媒体（ISM）マップを自己相似的フラクタル成分と非ガウス的で整合的な成分に分解するための堅牢な手法の開発。
• 従来のパワー スペクトル解析が、乱流ISMにおける非ガウス的かつスケール不変の構造（例：フィラメント）を検出できないという限界に対処すること。
• 観測された分子雲のパワー スペクトルが、乱流の間歇的性質に起因するのか、それとも整合的でフィラメント状の構造に起因するのかを調査すること。
• 非圧縮性乱流と圧縮性で重力に影響を受ける状態との間の遷移に関連する、ISMにおける特徴的なスケールを特定すること。
• 宇宙赤外背景（CIB）のような弱い天体物理学的信号が、サブミリ波長観測から抽出可能であることを実証すること。

提案手法

• MnGSeg手法は、マップのフラクチュエーションの確率的分布関数（PDF）のマルチスケール解析と、空間スケールにわたるフーリエパワー スペクトル解析を組み合わせる。
• マップを2つの成分に分解する：自己相似的でフラクタル的なガウス成分（分数ブラウン運動でモデル化）と、フィラメント構造が支配的な整合的で非ガウス的成分。
• スケール依存のPDFを通じて乱流の間歇的性質に関連する非ガウス的性質を特定し、その空間的分布を再構成する。
• 両成分それぞれに対してパワー スペクトル解析を別々に適用し、合計信号に与える寄与を定量化する。
• ハーシェルのポラリスフレア星雲の柱密度マップを用いて手法を検証する。この領域は星形成活動が低く、複雑なフィラメント構造を有する。
• 手法が宇宙赤外背景（CIB）信号を検出できるほど感度が高く、0.1–0.3 pcのスケールで潜在的特徴的スケールを同定できることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非圧縮性乱流の慣性領域に不連続性がない状況下でも、整合的でフィラメント状の構造が分子雲マップのパワー スペクトルを支配する程度はどの程度か？
• RQ2 マルチスケールのPDFとパワー スペクトル解析を併用することで、スケール不変の乱流場と構造的で非ガウス的成分の間の遷移を明らかにできるか？
• RQ3 ポラリスフレアで観測された非ガウス的性質の起源は何か。また、それらは乱流の間歇的性質や重力的崩壊とどのように関係しているか？
• RQ4 ISMに、非圧縮性乱流から圧縮性で重力に支配される力学的状態に遷移する特徴的な空間スケールが存在するか？
• RQ5 MnGSeg手法は、サブミリ波長観測における分子雲において、宇宙赤外背景（CIB）のような弱い天体物理学的信号を検出できるか？

主な発見

• ポラリスフレアの柱密度マップのフーリエパワー スペクトルは、ほとんどすべての空間スケールで整合的でフィラメント状の成分に支配されており、慣性領域に不連続性は認められない。
• MnGSeg手法は、マップを自己相似的フラクタル成分と非ガウス的で階層的なフィラメント成分に成功して分離し、それぞれのスケーリング特性の違いを明らかにした。
• 整合的成分は、大スケールから小スケールへと段階的にパワー スペクトルへの寄与が増加しており、慣性領域における乱流の間歇的性質と整合的である。
• 約0.15 pcの潜在的特徴的スケールが特定された。これは、非圧縮性乱流から圧縮性モード、あるいは重力支配のプロセスへの遷移を示す可能性がある。
• MnGSeg手法は、ポラリスフレアデータにおいて宇宙赤外背景（CIB）信号を検出でき、弱い銀河間背景放射の検出感度を示した。
• 結果は、乱流が初期の分子雲形成を駆動しており、その後に重力、磁場、熱不安定性の相互作用によって非ガウス的構造が生じるというシナリオを支持する。