[論文レビュー] From Bubbles and Filaments to Cores and Disks: Gas Gathering and Growth of Structure Leading to the Formation of Stellar Systems

J. E. Pineda, D. Arzoumanian+9 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 11被引用数 37

ひとこと要約

本論文はマルチスケールの観測とシミュレーションを統合し、巨大な気泡から原始星形成ディスクに至る星間構造の一貫した異方性成長像を提示し、ガスの収集と階層的降着を星とディスク形成へ結びつける。

ABSTRACT

The study of the development of structures on multiple scales in the cold interstellar medium has experienced rapid expansion in the past decade, on both the observational and the theoretical front. Spectral line studies at (sub-)millimeter wavelengths over a wide range of physical scales have provided unique probes of the kinematics of dense gas in star-forming regions, and have been complemented by extensive, high dynamic range dust continuum surveys of the column density structure of molecular cloud complexes, while dust polarization maps have highlighted the role of magnetic fields. This has been accompanied by increasingly sophisticated numerical simulations including new physics (e.g., supernova driving, cosmic rays, non-ideal magneto-hydrodynamics, radiation pressure) and new techniques such as zoom-in simulations allowing multi-scale studies. Taken together, these new data have emphasized the anisotropic growth of dense structures on all scales, from giant ISM bubbles driven by stellar feedback on $\sim$50-100 pc scales through parsec-scale molecular filaments down to $<$0.1 pc dense cores and $<$1000 au protostellar disks. Combining observations and theory, we present a coherent picture for the formation and evolution of these structures and synthesize a comprehensive physical scenario for the initial conditions and early stages of star and disk formation.

研究の動機と目的

• 冷たいISMにおけるスケールを横断する構造の成長をたどることによって、星形成の非効率性とIMFの起源の理解を動機づける。
• 観測結果（スペクトル線、ダスト連続波、偏光）を高度なHD/MHDシミュレーションと統合し、泡、フィラメント、コア、ディスクを結びつける。
• 拡張する泡、フィラメント形成、および異方性降着が星とディスク形成の初期条件にどのように寄与するかを明確にする。

提案手法

• HIシェル、H II領域、フィラメント、コア、ディスクにわたるマルチスケールの観測データをレビューする。
• フィードバック、非理想MHD、ズームイン手法を含む最先端のHDとMHDシミュレーションを統合し、マルチスケール構造の成長を研究する。
• 衝撃圧縮層におけるフィラメント形成機構と、それらが重力駆動降着によって進化する過程を論じる。

Figure 1: Color composite image showing the H i emission at 7.4 $\rm km\,s^{-1}$ (red) and at 3.3 $\rm km\,s^{-1}$ (blue) and the column density map derived from combined Herschel + Planck data (green). The white circles trace the two H i shells associated with the Corona Australis (CrA) molecular c

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 拡大する星間泡がフィラメント状分子雲の形成と形状形成にどのように影響するか？
• RQ2 衝撃圧縮層における優勢なフィラメント形成機構は何か、そしてそれらはどのように高密度コアへ、最終的には原始星形成ディスクへ栄養を供給するのか？
• RQ3 異方性ガス降着は大規模（≥50–100 pc）から小規模（<0.1 pc）までの構造をどのように結びつけ、星とディスク形成を駆動するのか？

主な発見

• 密な構造は、泡からフィラメント、コア、ディスクへとスケールを横断して異方性に成長する。
• ガス降着は階層的フローで進行する：泡からフィラメントへの殻状降着、フィラメントからコアへの軸方向収縮、コアからディスクへとストリーマーを介した非対称降着。
• 衝撃圧縮層におけるフィラメント形成は、高速の衝撃速度でタイプ-Oおよびタイプ-C機構が支配的であり、観測されるサルペター様の質量分布に似た線質量を持つフィラメントを生み出す。
• フィラメントは質量を降着し、準臨界から超臨界へと進化し、初期形成後も重力駆動降着によって成長を持続する。
• 速度勾配と磁場方位の観測は、フィラメントやハブに沿って、またそれらへと向かう異方性ガス降着を支持しており、提案されたマルチスケール成長パラダイムと一致する。

Figure 2: a) Illustration of a generic bipolar H ii region and its environment. The ionized gas, the molecular gas, and the PAH emission of the PDR are shown in red, blue, and grey, respectively. b) Composite image of G $319.88+00.79$ , which is an observed example of a bipolar H ii region. c) Cente