[論文レビュー] Gravitational instability of expanding shells: Solution with nonlinear terms

Richard Wünsch, Jan Palouš|CERN Bulletin|Jun 1, 2001

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 14被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、膨張する星間殻における重力不安定性の線形解析を拡張し、非線形項を組み込んで破片化の時間発展をモデル化する。非線形ダイナミクスが明確に定義された質量分離型の破片を生じさせ、観測された銀河系分子雲の質量関数と一致する質量スペクトルを示し、より大きな質量の破片が後に形成されることを明らかにした。破片化の時間は、初期密度摂動に応じて45〜70 Myrの範囲にわたる。

ABSTRACT

A model of the thin shell expanding into a uniform ambient medium is developed. Density perturbations are described using equations with linear and quadratic terms, and the linear and the nonlinear solutions are compared. We follow the time evolution of the fragmentation process and separate the well defined fragments. Their mass spectrum is compared to observations and we also estimate their formation time.

研究の動機と目的

• 線形近似を超えた、膨張する星間殻における重力不安定性の理解を深めること。
• 表面密度摂動の非線形的時間発展をモデル化し、破片形成を解明すること。
• 観測データと照らし合わせて、破片の質量スペクトルとその形成時刻を推定すること。
• 初期密度摂動が破片化のタイミングと破片発達に与える影響を調査すること。
• シミュレーションによる破片質量関数を、銀河系およびLMCにおける観測分布と比較すること。

提案手法

• 本研究は、静的な均一な星間媒体中に膨張する球対称な薄い殻モデルを用い、運動方程式、質量保存則、エネルギー収支の式を適用する。
• 表面密度摂動の摂動方程式に非線形項を含め、線形成長を超えた不安定性の発展を可能にする。
• 破片化時刻は、最大の表面密度摂動が元の殻密度に達した瞬間、すなわち Σ₁(t_f) = Σ₀(t_f) と定義される。
• 異なる破片の発達度合いを比較するために、破片統合量 I_f,η が用いられる。
• 破片の質量スペクトルは、時間積分された表面密度摂動を用いて計算され、観測されたGMC質量関数と比較される。
• シミュレーションでは摂動の時間発展を追跡し、どの時点で、そしてどこで明確な破片が殻から分離するかを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 摂動方程式における非線形項は、膨張する殻の成長と破片化にどのように影響するか？
• RQ2 非線形不安定性によって生じる破片の質量スペクトルは何か？ また、観測された分子雲分布とどのように比較できるか？
• RQ3 破片はいつ形成され、破片化時刻は初期密度摂動にどのように依存するか？
• RQ4 なぜ非線形発展においてより大きな質量の破片が、より小さな破片よりも後に形成されるのか？
• RQ5 銀河系とLMCにおける乱流運動の違いは、分子雲の観測された質量関数にどのように影響するか？

主な発見

• 計算された破片質量スペクトルは、α ≈ -1.4 のべき乗則に従い、銀河系GMCの観測値 α ≈ -1.5 に近く一致する。
• LMCの観測値 α ≈ -1.9 よりもわずかに平坦であるため、LMCの高い乱流速度が、質量の大きな破片の形成を抑制している可能性がある。
• より大きな質量の破片が殻の進化の後期に形成されることから、破片化過程における時間依存的質量分離が示唆される。
• 破片化は、殻形成後45〜70 Myrの間に行われる。これは初期密度摂動の振幅に依存する。
• 初期摂動が大きい（Σ₀の10%）場合、破片化時刻は最短の45 Myrとなり、小さい（Σ₀の1%）場合、最長の70 Myrとなる。
• モデルは、大きな密度フラクチュエーションを示す塊状で乱流の星間媒体では、破片が早期に形成されることを予測しており、星間媒体の力学的予想と整合的である。