[論文レビュー] The Effects of Inhomogeneities within Colliding Flows on the Formation and Evolution of Molecular Clouds

Jonathan Carroll-Nellenback, Adam Frank+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、滑らかでないか、塊の存在する収束流における分子雲形成を、流体力学的シミュレーションを用いて比較した。塊の存在する流入は、初期の分割を抑制することで局所的重力収縮を遅らせる。これにより質量の蓄積が可能となり、後に強いグローバル収縮と星形成バーストが引き起こされる。構造的な流入はグローバル収縮の効率を高め、初期の混合バイアスを低減し、滑らかな流入と比較して約20 Myr後にはより高い星形成率をもたらす。

ABSTRACT

Observational evidence from local star-forming regions mandates that star formation occurs shortly after, or even during, molecular cloud formation. Models of the formation of molecular clouds in large-scale converging flows have identified the physical mechanisms driving the necessary rapid fragmentation. They also point to global gravitational collapse driving supersonic turbulence in molecular clouds. Previous cloud formation models have focused on turbulence generation, gravitational collapse, magnetic fields, and feedback. Here, we explore the effect of structure in the flow on the resulting clouds and the ensuing gravitational collapse. We compare two extreme cases, one with a collision between two smooth streams, and one with streams containing small clumps. We find that structured converging flows lead to a delay of local gravitational collapse ("star formation"). Thus, more gas has time to accumulate, eventually leading to a strong global collapse, and thus to a high star formation rate. Uniform converging flows fragment hydrodynamically early on, leading to the rapid onset of local gravitational collapse and an overall low sink formation rate.

研究の動機と目的

• 大規模な収束流における不均一性が、分子雲形成および星形成の開始に与える影響を調査すること。
• 同一の質量フラックスを持つ滑らかでない流入と塊の流入の間で、力学的進化および重力収縮の違いを比較すること。
• 構造的な流入が局所的収縮を遅らせるか、グローバル収縮を強化し、より高い星形成率をもたらすかを特定すること。
• 混合効率およびコアの組成を分析し、初期の流入構造が雲の形態および星形成に与える影響を評価すること。
• 非熱的で超音速の乱流および分割が、異なる流入条件下での雲進化に果たす役割を評価すること。

提案手法

• シミュレーションは、自己重力および平衡冷却を考慮した流体力学方程式を解くために、適応メッシュ細分化コードAstroBEAR 2.0を用いる。
• 同一のシミュレーションを2つ実行する：滑らかな流入と塊の流入（5％充填率）の両方を含み、直径40 pc、質量フラックス665 M☉ Myr⁻¹とする。
• 非分割CTU積分法とシンク粒子法を用い、重力収縮および星形成を追跡する。
• ポアソン方程式はHYPREを用いて解き、自己重力をモデル化する。基本グリッドは40×64×64で、5段階の細分化により1280×2048×2048の有効分解能（セルサイズ約0.05 pc）を達成する。
• 混合バイアスはρR − ρL / (ρR + ρL)を用いて定量化され、異なる領域におけるコアの組成および流入記憶の評価がなされる。
• シミュレーションは30 Myr間実行され、解析は収縮開始時、乱流レベル、シンク形成レートに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 収束流に塊が存在する場合、形成中の分子雲における局所的重力収縮のタイミングと効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 流れの不均一性は、グローバル収縮の発展およびその後の星形成バーストにどのような影響を与えるか？
• RQ3 滑らかな流入と塊の流入は、形成中のコアの混合効率および組成記憶にどのように影響を及けるか？
• RQ4 塊の流入が初期の分割をどれほど遅らせるか、また収縮前の質量蓄積をどれほど強化するか？
• RQ5 なぜ滑らかな流入では塊の流入よりもコアに高い混合バイアスが生じるのか？

主な発見

• 塊の流入シミュレーションでは、滑らかな流入（約10 Myr後に局所的収縮）と比較して、局所的重力収縮が約20 Myr遅れる。
• 20 Myr以降、塊の流入シミュレーションでは、蓄積された質量によって引き起こされる強いグローバル収縮のおかげで、シンク形成レートが高くなる。
• 滑らかな流入では、連続的な圧縮と分割のおかげで初期の速度分散が高く、エネルギーの散逸もより効率的である。
• 塊の流入では、冷却効率が低く、圧縮も弱いため、初期の分割が抑制され、収縮が遅れる。
• 混合バイアスの分析から、滑らかな流入のコアは一方の流入方向に強くバイアスがかかるのに対し、塊の流入のコアはほぼゼロのバイアスを示し、グローバル収縮によって流入記憶が消失していることがわかる。
• 滑らかな流入のNTSI（非熱的衝撃不安定性）は物質を谷に集中させ、非対称な混合を生じるが、塊の流入ではグローバル収縮のダイナミクスのおかげでこの現象は存在しない。