[論文レビュー] On the stability of nonisothermal Bonnor-Ebert spheres. III. The role of chemistry in core stabilization

O. Sipilä, P. Caselli+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、化学反応が非等温ボンナーエーベル球としてモデル化された消滅星核の重力的安定性に与える影響を調査する。時間に依存する化学モデルと放射線輸送モデルを結合して、変化するガス温度を計算することで、著者らは化学反応が、コアの安定性を支配する無次元半径 ξ_out にほとんど影響しないことを発見した。大多数のコアは初期の安定状態のままであるが、まれに遅い時期の安定化（ξ_out の減少）が起こり得る。特に初期に不安定な状態にあったコアで顕著である。

ABSTRACT

Aims. We investigate the effect of chemistry on the stability of starless cores against gravitational collapse. Methods. We combine chemical and radiative transfer simulations in the context of a modified Bonnor-Ebert sphere to model the effect of chemistry on the gas temperature, and study the effect of temperature changes on core stability. Results. We find that chemistry has in general very little effect on the nondimensional radius $ξ_{ m out}$ which parametrizes the core stability. Cores that are initially stable or unstable tend to stay near their initial states, in terms of stability (i.e., $ξ_{ m out} \sim$ constant), as the chemistry develops. This result is independent of the initial conditions. We can however find solutions where $ξ_{ m out}$ decreases at late times ($t \gtrsim 10^6 \, m yr$) which correspond to increased stabilization caused by the chemistry. Even though the core stability is unchanged by the chemistry in most of the models considered here, we cannot rule out the possibility that a core can evolve from an unstable to a stable state owing to chemical evolution. The reverse case, where an initially stable core becomes ultimately unstable, seems highly unlikely. Conclusions. Our results indicate that chemistry should be properly accounted for in studies of star-forming regions, and that further investigations of core stability especially with hydrodynamical models are warranted.

研究の動機と目的

• 化学的進化が、消滅星核を重力不安定状態から安定状態へ、あるいはその逆に駆り起こすかどうかを評価すること。
• 時間に依存する化学反応がガス温度に与える影響、およびそれによって生じる非等温コアにおける安定性パラメータ ξ_out に与える影響を特定すること。
• 化学的プロセスが、消滅星核の寿命や崩壊 timescale を顕著に変化させ得るかどうかを評価すること。
• さまざまな初期化学的条件およびコア構成のもとで、コアの安定性予測の妥当性を検証すること。
• 動的時標 ( dynamical timescales ) ≪ 化学的時標 ( chemical timescales ) という平衡仮定が、化学反応と安定性の結合を研究する上で妥当かどうかを検証すること。

提案手法

• 中心密度と外部圧力は固定し、非熱的速度分散は一定と仮定して、半径方向に温度が変化する非等温ボンナーエーベル球（MBES）として消滅星核をモデル化する。
• 詳細な化学ネットワークを用いて、時間に依存する分子濃度とガス冷却レートを計算する。
• 化学的進化と放射線輸送を結合し、自己無撞撃的に変化するガス温度を計算する。
• 先行研究（Sipilä et al. 2011, 2015c）の安定性基準を適用し、安定性は無次元半径 ξ_out によって決定される。
• 中心密度と外部圧力を固定し、非熱的速度分散を一定と仮定してコアを時間発展させる。
• 時間経過に伴う ξ_out の変化（最大で ~10^6 yr）を追跡し、化学的進化に起因する安定状態の変化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 消滅星核内の化学的進化が、重力不安定状態から安定状態への遷移を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 化学反応によって駆動されるガス温度の時間的変化が、安定性パラメータ ξ_out にどのように影響するか？
• RQ3 初期の化学状態（例：原子種 vs. 分子種）がコアの安定性の進化に顕著な影響を与えるか？
• RQ4 化学的プロセスによって、安定状態から不安定状態への逆転移が可能か？
• RQ5 化学反応がコアに顕著な安定化を引き起こす最大の時間スケールは何か？

主な発見

• 化学反応は、大多数のコアにおいて安定性にほとんど影響しない。ξ_out は時間経過でほぼ一定のままである。
• まれなケースでは、特に初期に不安定な状態にあったコアにおいて、遅い時期（t ≳ 10^6 yr）に ξ_out が減少し、化学的安定化が生じる可能性がある。
• 化学反応による不安定状態から安定状態への遷移は可能だが、その発生は約 10^6 yr のスケールでのみ起こり得る。
• 逆に、安定状態から不安定状態への遷移は、モデルからみて極めて不自然に思われる。
• 初期条件（化学組成など）は ξ_out の絶対値に影響を与えるが、安定性が化学反応によって大きく変化しないという結論に影響しない。
• 結果から、特に動的モデルにおいては化学反応をコアの安定性研究に組み込むべきであることが示唆されるが、平衡仮定は現実のコア進化を単純化している可能性がある。