[論文レビュー] On the stability of non-isothermal Bonnor-Ebert spheres. II. The effect of gas temperature on the stability

O. Sipilä, J. Harju+1 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Aug 25, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、時間に依存するガス-ダスト化学および放射線輸送を自己整合的に計算することで、非等温ボンナー＝エーベルト球の安定性を調査した。化学的進化、特にCOのドライビング（吸着）が、高質量核（M > 1 M☉）において安定性を顕著に変化させることを示したが、低質量核は標準仮定のもとで安定であった。臨界次元なし半径ξ₁は等温モデルと比較して最大10%の変動を示し、時間とともに温度および密度プロファイルに顕著な変化が生じた。

ABSTRACT

Aims. We investigate the stability of non-isothermal Bonnor-Ebert spheres with a model that includes a self-consistent calculation of the gas temperature. This way we can discard the assumption of equality between the dust and gas temperatures, and study the stability as the gas temperature changes with chemical evolution of the gas. Methods. We use a gas-grain chemical model including a time-dependent treatment of depletion onto grain surfaces, which strongly influences the gas temperature as the main coolant, CO, depletes from the gas. Dust and gas temperatures are solved with radiative transfer. For comparison with previous work, we assume that the cores are deeply embedded in a larger external structure, corresponding to visual extinction $A_{ m V}^{ m ext}=10$ mag. Results. We find that the critical non-dimensional radius $ξ_1$ derived here is similar to our previous work where we assumed $T_{ m dust}=T_{ m gas}$; the $ξ_1$ values lie below the isothermal critical value $ξ_0\sim6.45$, but the difference is less than 10%. Chemical evolution does not affect notably the stability condition of low-mass cores (<0.75 $M_\odot$). For higher masses the decrease of cooling owing to CO depletion causes substantial temporal changes in the temperature and density profiles of the cores. In the mass range 1-2 $M_\odot$ , $ξ_1$ decreases with chemical evolution, whereas above 3 $M_\odot$ , $ξ_1$ instead increases. We also find that decreasing $A_{ m V}^{ m ext}$ increases the gas temperature especially when the gas is chemically old, causing $ξ_1$ to increase with respect to models with higher $A_{ m V}^{ m ext}$. The derived $ξ_1$ values are close to $ξ_0$. The density contrast between the core center and edge varies between 8 to 16 depending on core mass and the chemical age of the gas, compared to the constant value $\sim$ 14.1 for the isothermal BES.

研究の動機と目的

• ガス温度が自己整合的に時間発展する条件下で、非等温ボンナー＝エーベルト球の安定性を評価すること。特に、ダスト温度とガス温度が等しいという仮定を避けること。
• 時間に依存する化学的進化（特にCOのダスト表面への吸着）が、ガス温度およびコア安定性に与える影響を調査すること。
• T_dust ≠ T_gas の状況において、安定性条件（臨界次元なし半径ξ₁で定量化）が、従来の熱的平衡を仮定したモデルと比較して顕著に変化するかどうかを特定すること。
• 外部視覚的減光A_V^extの変動がコア安定性および温度プロファイルに与える影響を検討すること。
• 時間発展モデルを用いた化学的進化と非平衡熱的結合を組み込んだフレームワークを提供し、観測された全光度密度および温度分布に基づいてコア安定性を推定すること。

提案手法

• 冷却種、特にCOの濃度進化を計算するために、時間に依存するガス-ダスト化学モデルが用いられた。COのダストへの吸着を考慮した。
• 各時間ステップで、時間発展する化学組成とエネルギー収支を組み込んだ放射線輸送モデルを用いて、ガス温度を計算した。
• ダストとガス温度は放射線輸送を用いて独立して解き、特に低密度・低結合領域ではT_dust ≠ T_gasを許容した。
• 非等温条件下での静水的平衡およびエネルギー方程式に基づき、次元なし変数ξおよびψ(ξ)を導出した、修正ボンナー＝エーベルト球（MBES）モデルを適用した。
• 臨界次元なし半径ξ₁は、解析的公式（式6）を用いて計算された。この式は、コア中心と端縁間の最大密度対比を決定する。
• 質量が異なるコア（0.1–5 M☉）に対してシミュレーションを実施した。外部視覚的減光A_V^ext = 10 magを主なケースとし、比較のため低値（例：A_V^ext = 5 mag）も検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガス温度が時間に依存する化学的進化を自己整合的に計算する場合、T_dust = T_gas を仮定するのではなく、非等温ボンナー＝エーベルト球の臨界次元なし半径ξ₁はどのように変化するか？
• RQ2 ダスト表面へのCO吸着によるガス相からのCO脱出が、時間経過とともにガス温度およびコア安定性にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 ガスの化学的年齢が、特に1–3 M☉の範囲における異なる質量のコアの安定性に与える影響は何か？
• RQ4 外部視覚的減光（A_V^ext）を低下させることで、ガス温度および導出されたξ₁値は、深く埋蔵された（A_V^ext = 10 mag）モデルと比較してどのようになるか？
• RQ5 化学的進化と非平衡熱的結合を含む時間発展モデルを用いたMBESモデルを用いれば、観測されたコア構造の安定性を信頼性を持って評価できるか？

主な発見

• 本研究で得られた臨界次元なし半径ξ₁は、等温値ξ₀ ≈ 6.45と10%以内に収まり、T_dust ≠ T_gas であっても安定性条件が著しく変化しないことを示した。
• 低質量コア（M < 0.75 M☉）では、ガス-ダスト熱的結合が強く、平均密度も高いため、化学的進化の影響は安定性に無視できるほど小さい。
• 高質量コア（1–2 M☉）では、COのドライビングが時間経過とともにガス温度を上昇させ、化学的若年状態と比較してξ₁が最大約10%低下した。
• 3 M☉を超えるコアでは、COドライビングに起因するガス温度上昇がξ₁の上昇を引き起こし、化学的進化に伴い安定性が増加することを示した。
• 外部視覚的減光A_V^extを10から低値に低下させると、特に化学的年老いたガスではガス温度が著しく上昇し、深く埋蔵されたモデルと比較してξ₁が高くなることが分かった。
• モデルにおける中心-端縁密度対比は、コア質量および化学的年齢に応じて8から16の範囲を示したが、等温ケースの定数～14.1とは対照的であった。