[論文レビュー] Protostellar Jets and Turbulence in Molecular Clouds: The Role of Interactions

A. J. Cunningham, Adam Frank+1 more|Dec 19, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、放射的で流体力学的な噴流を異なる衝突パラメータでシミュレートすることで、原始星の噴流同士の衝突が分子雲内の乱流を駆動できるかどうかを調査した。結果、直接的かつ高衝突パラメータの衝突のみが噴流物質を顕著に圧縮・再配分するが、このような衝突はまれである。代わりに、活動停止した源に由来する化石噴流の方が、運動量の伝達と乱流の維持に効果的であることが示された。

ABSTRACT

We present a series of numerical studies of the interaction of colliding radiative, hydrodynamic young stellar outflows. We study the effect of the collision impact parameter on the acceleration of ambient material and the degree to which the flow is isotropized by the collision as a mechanism for driving turbulence in the parent molecular cloud. Our results indicate that the high degrees of compression of outflow material, achieved through radiative shocks near the vertex of the interaction, prevents the redirected outflow from spraying over a large spatial region. Furthermore, the collision reduces the redirected outflow's ability to entrain and impart momentum into the ambient cloud. Consideration of the probabilities of outflow collisions leads us to conclude that individual low velocity fossil outflows are the principle coupling between outflows and the cloud.

研究の動機と目的

• 若い星からの噴流衝突が、分子雲内に運動量とエネルギーを効率的に伝達し、乱流を駆動できるかどうかを評価すること。
• 噴流衝突の衝突パラメータが運動量の捕捉と流れの等方化に与える影響を評価すること。
• 星形成領域の典型的な星密度と噴流寿命に基づいて、このような衝突が発生する統計的確率を特定すること。
• 活動中の噴流衝突と化石噴流のどちらが、噴流エネルギーを雲の乱流に結合させる主なメカニズムであるかを特定すること。
• 放射冷却が噴流相互作用中に運動量伝達を抑制する役割を定量化すること。

提案手法

• 衝突パラメータ（正面衝突から斜め衝突まで）を変化させた、放射的で流体力学的噴流の数値シミュレーション。
• 噴流を長さ L = 1 pc、半径 R = 0.1 pc の円柱ジェットとしてモデル化し、一定の噴流寿命 t_outflow = 2×10⁵ yr を仮定。
• 衝突確率を推定するための体積充填率アプローチを用いる：P ∝ (V_outflow / V)²、ここで V_outflow = πR²L。
• 10%の噴流充填率および高速噴流流体の直接衝突のための臨界星密度 N_critical を計算（R = 200 AU）。
• 放射冷却による衝撃波圧縮と衝撃波表面積の減少を用いて、運動量伝達効率を分析。
• 衝突シナリオにおける「即時捕捉」（衝撃波駆動）と「乱流捕捉」（境界層駆動）のメカニズムを比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の密度と噴流寿命に基づいて、典型的な分子雲内での原始星噴流衝突の確率は何か？
• RQ2 噴流衝突の衝突パラメータが、噴流運動量の再配分と周囲ガスの捕捉に与える影響は何か？
• RQ3 噴流衝突中に発生する放射冷却が、乱流エネルギーの注入に利用可能な運動エネルギーと運動量をどの程度減少させるか？
• RQ4 噴流衝突は流れを等方化させ、分子雲全体の乱流を駆動できるか？
• RQ5 活動中の噴流衝突と比較して、化石噴流は雲の乱流に機械的エネルギーを結合させる点でより効果的か？

主な発見

• 高速で衝撃波を受けていない噴流流体同士の直接衝突は極めてまれであり、そのために必要な星密度は N_direct_critical = 5×10⁶ pc⁻³ に達するが、これは密な星形成領域の観測値よりも3桁も高い。
• 高衝突パラメータの衝突は、噴流ガスの強い圧縮と冷却を引き起こし、有効な衝撃波表面積を減少させ、周囲物質への運動量伝達を制限する。
• 噴流の衝突は、衝撃波駆動の運動量交換が抑制されることにより、周囲の雲ガスの捕捉と加速能力を低下させる。
• 斜め衝突では、衝撃波のココーン部や側縁部のみが関与するため、エネルギー散逸や運動量伝達にほとんど影響しない。
• 衝突頂点での放射冷却は、乱流注入に利用可能な運動エネルギーを著しく減少させ、効率的なエネルギー再分配を妨げる。
• 本研究は、噴流源が停止した後に残る空洞である化石噴流が、活動中のジェット衝突よりも雲の乱流を維持する上でより現実的かつ効果的な要因であると結論づけた。