[論文レビュー] The formation of C-shocks: structure and signatures

M. D. Smith, Mordecai‐Mark Mac Low|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 1997

Atomic and Molecular Physics被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、拡張されたZEUSコードを用いた平面対称数値シミュレーションを用いて、分子雲内におけるC衝撃の形成と進化を調査し、衝撃構造が4つの明確な段階を経て、ジャンプ衝撃から安定したC型構造へと変化することを示している。主な結果として、低イオン化度条件下では、中程度のタイプII衝撃および遅い衝撃のみがジャンプ型のままであり、分子水素の放射線は高速時では高励起スペクトルを示し、低速時では一定のC型励起状態に移行する。発光ラインの変動は約6/n_i年という timescale で発生する。

ABSTRACT

Shock waves in molecular clouds should evolve into continuous or C-type structures due to the magnetic field and ion-neutral friction. We here determine whether and how this is achieved through plane-parallel numerical simulations using an extended version of ZEUS. We first describe and test the adapted code against analytical results, laying the necessary foundations for subsequent works on supersonic ambipolar diffusion, including C-type jets and shock instability. The evolution away from jump shocks toward the numerous steady C-shock sub-types is then investigated. The evolution passes through four stages, which possess distinctive observational properties. The time scales and length scales cover broad ranges. Specific results are included for shock types including switch, absorber, neutralised, oblique, transverse and intermediate. Only intermediate Type II shocks and `slow shocks', including switch-off shocks, remain as J-type under the low ion levels assumed. Other shocks transform via a steadily growing neutral precursor to a diminishing jump. For neutralised shocks, this takes the form of an extended long-lived ramp. Molecular hydrogen emission signatures are presented. After the jump speed has dropped to under 25 km/s, a non-dissociative jump section can dominate the spectra for a long period. This produces a high-excitation spectrum. Once the jump has further weakened, to < 8 km/s, the fully developed ion front is responsible for brisk progress towards a constant C-type excitation. The time scale for emission-line variations is ~(6 /n_i) yr, where n_i is the pre-shock ion number density.

研究の動機と目的

• イオン-中性子摩擦および磁場の影響を受けることで、分子雲内の衝撃波がどのように連続的（C型）構造へと進化するかを理解すること。
• 数値的シミュレーションを用いて、初期のジャンプ衝撃から安定したC衝撃構造への遷移をモデル化すること。
• 異なる衝撃タイプおよび段階に関連する観測的特徴、特に分子水素放射線を特定すること。
• 事前衝撃イオン数密度に依存するC衝撃における発光ライン変動の timescale を特定すること。
• 低イオン化度条件下でどの衝撃タイプがジャンプ型のままであり、どのタイプがC型構造に変化するかを評価すること。

提案手法

• 分子雲内における平面対称衝撃伝播をモデル化するため、拡張されたZEUSコードを用いた数値的シミュレーション。
• ジャンプ型からC型衝撃への遷移を再現するため、イオン-中性子摩擦および磁場効果を組み込んだシミュレーション。
• 数値的正確性を保証するため、解析的解との比較によるコードの妥当性確認。
• スイッチ、吸収器、中性化、斜め、横方向、および中間衝撃を含む、複数の衝撃タイプのシミュレーション。
• 各段階に特徴的な物理的および観測的性質を持つ4つの明確な段階に分けた衝撃構造の進化解析。
• 異なる衝撃速度およびイオン密度下での分子水素発光ラインプロファイルとその時間的変化の計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子雲内での衝撃波は、初期のジャンプ衝撃からどのように連続的（C型）構造へと進化するか？
• RQ2 ジャンプ型からC型への遷移に関連する特徴的な timescale および長さスケールは何か？
• RQ3 低イオン化度条件下でどの衝撃タイプがジャンプ型のままであり、どのタイプが完全にC型構造に変化するか？
• RQ4 異なる衝撃タイプおよび進化段階に関連する明確な観測的特徴（特にH2放射）は何か？
• RQ5 発光ラインの強度および励起状態は時間とともにどのように変化し、事前衝撃イオン数密度にどのように依存するか？

主な発見

• 衝撃の進化は、時間的および長さスケールの広い範囲をカバーする4つの明確な段階に分けられ、それぞれに特徴的な構造的および観測的性質を持つ。
• 低イオン化度条件下では、中程度のタイプII衝撃および「遅い衝撃」（スイッチオフ衝撃を含む）のみがジャンプ型のままであり、他のすべての衝撃は増大する中性子プリカリューダーを介してC型構造に変化する。
• 中性化衝撃では、中性子プリカリューダー内に広範かつ長期間にわたるラムプ構造が形成される。
• ジャンプ速度が25 km/s未満に低下すると、非解離的ジャンプ領域が支配的となり、高励起H2放射スペクトルが生成される。
• さらにジャンプ速度が8 km/s未満に低下すると、完全に発達したイオンフロントが、一定のC型励起状態へ向かうシステムを駆動する。
• 発光ラインの変動 timescale は、およそ(6 / n_i)年であり、n_iは事前衝撃イオン数密度である。