[論文レビュー] Formation of proto-cluster: a virialized structure from gravo-turbulent collapse I. Simulation of cluster formation in collapsing molecular cloud

Yueh-Ning Lee, P. Hennebelle|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 72被引用数 33

ひとこと要約

本稿では、崩壊する分子雲内におけるガス的プロトクラスタ形成の高解像度MHDシミュレーションを提示し、プロトクラスタが重力乱流的崩壊から生じ、グローバルなバーリアス平衡に達することを示している。主な結果は、プロトクラスタの質量-サイズ関係（$R \sim M^{0.38}$ から $M^{0.5}$）が観測と一致しており、乱流と回転によって支えられるエネルギーバランスが、星団の安定的・自己調整的前身であることを確認している。

ABSTRACT

Stars are often observed to form in clusters. It is therefore important to understand how such a region of concentrated mass is assembled out of the diffuse medium and its properties eventually prescribe the important physical mechanisms and determine the characteristics of the stellar cluster. We study the formation of a gaseous proto-cluster inside a molecular cloud by performing high resolution MHD simulations and associate its internal properties to those of the parent cloud by varying the level of the initial turbulence of the cloud, with a view to better characterize the subsequent stellar cluster formation. The gaseous proto-cluster is formed out of global collapse of a molecular cloud, and has non-negligible rotation due to angular momentum conservation during the collapse of the object. Most of the star formation occurs in this region which occupies only a small volume fraction of the whole cloud. We identify such regions in simulations and compare the gas and sink particles to observations. The gaseous proto-cluster inferred from simulation results present a mass-size relation that is compatible with observations. We stress that the stellar cluster radius, although clearly correlated with the gas cluster radius, depends sensitively on its definition. Energy analysis is performed to confirm that the gaseous proto-cluster is a product of gravo-turbulent reprocessing and that the support of turbulent and rotational energy against self-gravity yields a state of global virial equilibrium although collapse is occurring at smaller scale and the cluster is forming stars actively. This object then serves as the antecedent of the stellar cluster, to which the energy properties are passed on.

研究の動機と目的

• 密度の高いガス的プロトクラスタが、星団の前身として、崩壊する分子雲内にどのように形成されるかを理解すること。
• 特に乱流、重力、角運動量の相互作用が、プロトクラスタの構造と安定性を支配する物理的メカニズムを特定すること。
• プロトクラスタの性質（質量、サイズ、エネルギー）が、母体分子雲、特に初期の乱流レベルとどのように関連するかを明らかにすること。
• プロトクラスタが母体雲からエネルギー的性質を引き継ぎ、その後の星形成の基盤をなす、バーリアス平衡構造としての妥当性を検証すること。

提案手法

• 自己重力下で異なる初期乱流レベルを想定した分子雲崩壊を、高解像度磁気流体力学（MHD）シミュレーションで実施する。
• ガスの運動学的性質（降着対比回転）とシンク粒子の分布を用いて、速度および密度のしきい値に基づく楕円体領域としてプロトクラスタを同定する。
• サイズと降着-回転遷移を的確に特定するため、$(R^2H)^{1/3}$ や $W_0 = \int \vec{v} \cdot \vec{n} dm / \| \int \vec{v} \times \vec{n} dm \|$ といった特徴的な半径および速度指標を用いる。
• ガスおよびシンク粒子の運動エネルギー、重力エネルギー、全比エネルギーを計算することで、バーリアス平衡状態を評価するエネルギー解析を実施する。
• 速度および密度勾配に基づく区分けにより、降着エンベロープとプロトクラスターコアを区別するため、区分けされた累乗則フィッティングを用いる。
• シミュレーション結果を、埋め込まれた星団およびガスクラスタにおける質量-サイズ関係とエネルギーバランスに関する観測データと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子雲内の初期乱流レベルが、ガス的プロトクラスタの形成および構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 乱流、重力、回転といった物理的メカニズムが、プロトクラスタの質量-サイズ関係を決定づける根拠は何か？また、観測されたクラスタと比較するとどうなるか？
• RQ3 星形成が継続され、小スケールの崩壊が進行する中でも、ガス的プロトクラスタはバーリアス平衡にあると言えるか？
• RQ4 プロトクラスタの性質（質量、サイズ、エネルギー）が、母体分子雲の状態をどの程度反映しているか？
• RQ5 複雑で乱流の強い環境下において、運動学的および力学的基準を用いてプロトクラスタ境界をどのように的確に定義できるか？

主な発見

• ガス的プロトクラスタは、角運動量保存に起因する顕著な回転を伴いながら、分子雲のグローバルな重力的崩壊によって形成される。
• プロトクラスタは $R \sim M^{0.38}$ から $M^{0.5}$ の質量-サイズ関係を示し、ATLASGALなど他の調査から得られた観測データと一致する。
• エネルギー解析により、プロトクラスタがグローバルなバーリアス平衡にあることが確認され、乱流的および回転的エネルギーが重力エネルギーと釣り合っている。
• プロトクラスタは母雲のわずかな体積分率にしか占めないが、明確に分離された高密度で星形成が進行する実体であり、母雲のエネルギー的性質を継承し、再処理している。
• サイズ定義法（例：$R$、$\sqrt{RH}$、$(R^2H)^{1/3}$）の違いがあっても一貫した結果が得られ、識別アルゴリズムの堅牢性が裏付けられている。
• プロトクラスタは星団の前身として機能し、星形成の最終段階である星団系にエネルギー状態を引き継いでいるが、モデルには星形成のフィードバックは含まれていない。