[論文レビュー] The Thermodynamics of Molecular Cloud Fragmentation: Star Formation Under Non-Milky Way Conditions

S. Hocuk, M. Spaans|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Nov 26, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 76被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、FLASHコードを用いた2次元および3次元の適応メッシュ細分化シミュレーションを用い、金属量、乱流、回転、加熱メカニズムが非ミルキーウェイ環境下における分子雲の破片化および原始星核形成に与える影響を調査する。結果として、冷却の向上に起因し、金属量が高くなると破片化が増加するが、宇宙線およびダスト加熱がこれを相殺し、高金属量環境では破片化が抑制される。一方、低金属量および星形成暴走領域では、冷却効率の低さと放射フィードバックにより破片化が減少する。

ABSTRACT

Properties of candidate stars, forming out of molecular clouds, depend on the ambient conditions of the parent cloud. We present a series of 2D and 3D simulations of fragmentation of molecular clouds in starburst regions as well as clouds under conditions in dwarf galaxies, leading to the formation of protostellar cores. We explore in particular the metallicity dependence of molecular cloud fragmentation and the possible variations in the dense core mass function, as the expression of a multi-phase ISM, due to dynamic and thermodynamic effects in starburst and metal-poor environments. To study the level of fragmentation during the collapse, the adaptive mesh refinement code FLASH is used. With this code, including self-gravity, thermal balance, turbulence and shocks, collapse is simulated with four different metallicity dependent cooling functions. Turbulent and rotational energies are considered as well. During the simulations, number densities of 10^8-10^9 cm^-3 are reached. The influences of dust and cosmic ray heating are investigated and a comparison to isothermal cases is made. The presented results indicate that fragmentation increases with metallicity, while cosmic ray and gas-grain collisional heating counteract this. We also find that modest rotation and turbulence can impact the cloud evolution as far as fragmentation is concerned. In this light, we conclude that radiative feedback, in starburst regions, will inhibit fragmentation, while low-metallicity dwarfs also should enjoy a star formation mode in which fragmentation is suppressed.

研究の動機と目的

• 星形成暴走領域および矮星銀河における環境的条件、特に金属量、乱流、回転が分子雲の破片化および原始星核形成に与える影響を理解すること。
• 金属量依存の冷却、ダスト加熱、宇宙線加熱が、密度核質量関数および初期質量関数（IMF）をどのように形成するかを調査すること。
• 特に有効な状態方程式が等温仮定と比較して破片化に与える影響が顕著かどうかを検証すること。
• 2次元シミュレーションが、回転や乱流を伴う3次元雲の崩壊ダイナミクスをモデル化するのに妥当かどうかを評価すること。
• 異なる初期密度プロファイルおよび加熱／冷却メカニズムが、破片化効率およびコア質量分布に与える影響を評価すること。

提案手法

• 適応メッシュ細分化（AMR）コードFLASHを用いた数値的シミュレーションを実施。流体力学方程式に自己重力、熱平衡、乱流、衝撃力学を組み込む。
• 低金属量および高金属量環境の両方で冷却効率をモデル化するため、4種類の金属量依存冷却関数を導入。
• 乱流および回転エネルギーを初期条件として導入し、それらが破片化およびコア形成に与える影響を評価。
• ガス・ダストの熱的結合、宇宙線加熱、ダスト光学厚さ効果を含み、等温および非等温ケースと比較。
• 破片化に対する初期構造の感受性を評価するため、累乗則密度プロファイル（ρ ∝ (1 + R/Rc)^−α）を平坦プロファイルと比較。
• シミュレーションは数密度10⁸–10⁹ cm⁻³に達し、sink粒子を用いず、温度、ジェンス質量、破片形成の時間発展を追跡。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量が重力的崩壊中の分子雲の破片化レベルにどのように影響するか？
• RQ2 宇宙線加熱およびガス・ダスト熱的結合が、高金属量環境における破片化をどれほど抑制するか？
• RQ3 初期の乱流および回転が、高密度核の形成およびそれによるコア質量関数に与える影響は？
• RQ4 非等温効果が等温仮定と比較して、破片化の結果にどのように影響するか？
• RQ5 初期密度プロファイル（平坦対累乗則）が、金属量の異なる条件下で破片化行動に顕著な影響を与えるか？

主な発見

• 金属量が高くなると、放射冷却の効率が向上し、より小さなジェンス質量を実現するため、破片化が増加する。
• 高金属量環境では、宇宙線加熱およびガス・ダスト熱的結合により、密度が10⁵ cm⁻³以上になるとガス温度がダスト温度（Tg ≈ Td）に近づき、ガス温度が安定化し、結果として破片化が抑制される。
• 等温シミュレーションでは、同じ温度でも非等温走査に比べて破片化が少ない。これは有効な状態方程式がより硬いため（γ = 1）であり、冷却を正しく扱わなければ破片化を予測できないことを示唆する。
• やや強い回転または乱流が存在する場合、ディスク形成の timescale が破片化の timescale と同等となり、効果的に2次元ダイナミクスに還元され、コア形成が安定化する。
• 回転なしの3次元シミュレーションは、2次元シミュレーションと同様の破片化パターンおよび温度変化を示し、回転なしの場合は2次元結果の妥当性が裏付けられる。
• 平坦密度プロファイルでは、競争的降着によりわずかに小さな破片質量が得られるが、全体の破片化率および温度変化の時間発展は、累乗則プロファイルと比較して顕著に変わらない。