[論文レビュー] Network of Star Formation: Fragmentation controlled by scale-dependent turbulent pressure and accretion onto the massive cores revealed in the Cygnus-X GMC complex

Guang-Xing Li, Yue Cao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 53被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、サイグルスX GMC内の高密度核の密な相互作用を分析するためのデローランのトライアングルレーションに基づく手法を導入し、核間隔が表面密度に従って Σ ∝ l⁻⁰.²⁸ とスケーリングすることを明らかにした。これは、スケールに依存する乱流圧力によって制御される破片化を示唆している。質量の大きな核（M > 10 M⊙）は主に降着によって成長し、周囲のガス貯留量の枯渇が特徴的である。一方、低質量核は破片化によって形成され、その転換点は対数正規分布からべき乗則への核質量関数の変化と一致している。

ABSTRACT

Molecular clouds have complex density structures produced by processes including turbulence and gravity. We propose a triangulation-based method to dissect the density structure of a molecular cloud and study the interactions between dense cores and their environments. In our {approach}, a Delaunay triangulation is constructed, which consists of edges connecting these cores. Starting from this construction, we study the physical connections between neighboring dense cores and the ambient environment in a systematic fashion. We apply our method to the Cygnus-X massive GMC complex and find that the core separation is related to the mean surface density by $\Sigma_{ m edge} \propto l_{ m core }^{-0.28 }$, which can be explained by {fragmentation controlled by a scale-dependent turbulent pressure (where the pressure is a function of scale, e.g. $p\sim l^{2/3}$)}. We also find that the masses of low-mass cores ($M_{ m core} < 10\, M_{\odot}$) are determined by fragmentation, whereas massive cores ($M_{ m core} > 10\, M_{\odot}$) grow mostly through accretion. The transition from fragmentation to accretion coincides with the transition from a log-normal core mass function (CMF) to a power-law CMF. By constructing surface density profiles measured along edges that connect neighboring cores, we find evidence that the massive cores have accreted a significant fraction of gas from their surroundings and thus depleted the gas reservoir. Our analysis reveals a picture where cores form through fragmentation controlled by scale-dependent turbulent pressure support, followed by accretion onto the massive cores, {and the method can be applied to different regions to achieve deeper understandings in the future.

研究の動機と目的

• 分子雲内の高密度核とその周囲環境との間の物理的関係を体系的かつ系統的に調査すること。
• 質量の大きな星形成領域における核質量の蓄積を支配する主要な物理的メカニズム（破片化対降着）を特定すること。
• 対数正規分布からべき乗則への核質量関数の転換とその物理的起源を調査すること。
• スケールに依存する乱流圧力が核間隔と破片化をどのように制御するかを定量化すること。

提案手法

• 高密度核の位置を頂点とするデローランのトライアングレーションメッシュを構築し、隣接する核を結ぶ辺を形成する。
• 辺の性質を定義：核間隔（lcore）、各辺に沿った平均表面密度（Σ）、および体積率（f）。
• 次元解析と乱流モデルを用いて、熱的および乱流圧力支持下での核間隔の理論的スケーリング則を導出する。
• 「体積率」指標を用いて、質量の大きな核の周囲のガス枯渇状況を評価し、降着活動を示す。
• 対数-対数空間における統計的フィッティングを実施し、経験的スケーリング関係 NH₂ ≈ 8.1×10²¹ cm⁻² (lcore/1 pc)⁻⁰.²⁸ を導出する。
• 流体動力学シミュレーション（Arepo）を用いて、2次元投影核間隔が3次元距離の信頼できる代理指標であることを検証し、80％のペアで d₃D/d₂D ≲ 1.58 であることを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイグルスX GMCにおける核間隔は、接続するガスの平均表面密度とどのように相関するか？
• RQ2 核の破片化を支配する物理的メカニズム（熱的圧力、乱流圧力、重力）は何か。また、そのスケーリングはサイズにどのように依存するか？
• RQ3 核質量がどの程度の値で、主な質量成長メカニズムが破片化から降着へと転換するか？
• RQ4 対数正規分布からべき乗則への核質量関数の転換は、核形成を支配する物理的プロセスとどのように関係するか？
• RQ5 質量の大きな核が降着によって周囲のガス貯留量をどの程度枯渇させるか？

主な発見

• 核間隔（lcore）は平均表面密度 Σ に対して Σ ∝ l⁻⁰.²⁸core とスケーリングするが、これは熱的破片化とは不一致であり、スケールに依存する乱流圧力支持（p ∼ l²/³）と整合的である。
• 低質量核（Mcore < 10 M⊙）は主に破片化によって形成されるが、質量の大きな核（Mcore > 10 M⊙）は周囲のガスからの降着によって主に成長する。
• 破片化から降着への転換は、対数正規分布からべき乗則への核質量関数の変化と一致しており、形成物理学の根本的な変化を示している。
• 質量の大きな核に接続する辺に沿った体積率は顕著に低く抑えられており、降着によるガスの著しい枯渇が示唆される。
• 経験的関係式 NH₂ ≈ 8.1×10²¹ cm⁻² (lcore/1 pc)⁻⁰.²⁸ は、核間隔と周囲の表面密度との間の観測されたスケーリングを定量的に表している。
• 2次元投影核間隔は3次元距離の信頼できる代理指標である。シミュレーションの80％のペアで d₃D/d₂D ≤ 1.58 であり、この方法の幾何的仮定が妥当であることが裏付けられた。