[論文レビュー] Understanding star formation in molecular clouds III. Probability distribution functions of molecular lines in Cygnus X

N. Schneider, S. Bontemps+12 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Sep 3, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 87被引用数 26

ひとこと要約

本研究は、キグルスXノースにおける分子線データ（12CO、13CO、C18O、CS、N2H+）からH₂の柱密度の確率分布関数（N-PDFs）を導出し、ハーシェルのダスト柱密度マップと比較した。CO同素体は低Aᵥ域で対数正規分布を示すが、光学的厚さと吸着の影響でずれを示す。一方、CSとN2H+は重力支配の自由落下崩壊に一致する高密度のべき乗則テールをトレースしており、校正済み[CS]/[H₂]濃度は10⁻⁹、べき乗則の勾配は約-1.6であり、重力支配の構造形成を支持する。

ABSTRACT

Column density (N) PDFs serve as a powerful tool to characterize the physical processes that influence the structure of molecular clouds. Star-forming clouds can best be characterized by lognormal PDFs for the lower N range and a power-law tail for higher N, commonly attributed to turbulence and self-gravity and/or pressure, respectively. We report here on PDFs obtained from observations of 12CO, 13CO, C18O, CS, and N2H+ in the Cygnus X North region and compare to a PDF derived from dust observations with the Herschel satellite. The PDF of 12CO is lognormal for Av~1-30, but is cut for higher Av due to optical depth effects. The PDFs of C18O and 13CO are mostly lognormal up for Av~1-15, followed by excess up to Av~40. Above that value, all CO PDFs drop, most likely due to depletion. The high density tracers CS and N2H+ exhibit only a power law distribution between Av~15 and 400, respectively. The PDF from dust is lognormal for Av~3-15 and has a power-law tail up to Av~500. Absolute values for the molecular line column densities are, however, rather uncertain due to abundance and excitation temperature variations. Taken the dust PDF face value, we 'calibrate' the molecular line PDF of CS to the one of the dust and determined an abundance [CS]/[H2] of 10^-9. The slopes of the power-law tails of the CS, N2H+, and dust PDFs are consistent with free-fall collapse of filaments and clumps. A quasi static configuration of filaments and clumps can possibly also account for the observed N-PDFs, as long as they have a sufficiently condensed density structure and external ram pressure by gas accretion is provided. The somehow flatter slopes of N2H+ and CS can reflect an abundance change and/or subthermal excitation at low column densities.

研究の動機と目的

• 分子線放射からの確率分布関数（N-PDFs）を用いて、キグルスXノースの分子雲の柱密度構造を特徴づけること。
• 分子線からのN-PDFとハーシェルのダスト柱密度マップからのN-PDFを比較し、一貫性と限界を評価すること。
• 光学的厚さ、濃度の変動、励起温度が分子線ベースのN-PDFに与える影響を調査すること。
• ダスト観測による校正を通じて、分子線N-PDFを分子濃度の制約と物理的状態の評価に用いること。

提案手法

• キグルスXノースにおける12CO、13CO、C18O、CS、N2H+線の積分輝度マップからN-PDFを導出し、等温状態（10 K）と局所熱平衡（LTE）の下で輝度温度をH₂柱密度に変換する。
• ハーシェルの36''解像度のダスト柱密度マップ（Aᵥ ~ 0.1–1000）を校正および比較の基準として用いる。
• ダストに基づく校正を分子線PDFに適用し、分布をダストN-PDFに一致させるようにシフトし、[CS]/[H₂]濃度を推定する。
• 高密度のべき乗則テールの勾配をモデル化し、圧力駆動の自由落下崩壊または静的平衡との整合性を検証する。
• CO同素体の光学的厚さ効果を、高Aᵥ域での対数正規分布からのずれを分析することで取り入れる。
• パラメトリックシフトを用いて、濃度および励起温度の変動がN-PDF形状に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キグルスXノースにおいて、分子線から導かれたN-PDFは、ダスト柱密度マップからのN-PDFとどのように異なるか？
• RQ2 高柱密度域で観測されたCO同素体PDFの対数正規分布からのずれの原因は何か？
• RQ3 光学的厚さ、吸着、励起温度の変動が、分子線ベースのN-PDFの信頼性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 分子線PDFがダストN-PDFと一致した際の校正済み[CS]/[H₂]濃度は何か？
• RQ5 CSおよびN2H+のPDFに観測されたべき乗則テールは、高密度フィラメントにおける自由落下崩壊または静的平衡と整合的か？

主な発見

• 12COのN-PDFはAᵥ ~ 1–30で対数正規分布を示すが、高Aᵥ域で光学的厚さの影響により切断され、放射の飽和を示唆する。
• 13COおよびC18OのN-PDFはAᵥ ~ 1–15まで対数正規分布を示し、その後Aᵥ ~ 15–40の範囲で過剰なピークを示す。C18Oは高密度ガスに一致するべき乗則テールを示す。
• すべてのCO同素体PDFはAᵥ ~ 40以上で低下し、COのダスト粒子への凍結の開始を示唆する。
• CSおよびN2H+のN-PDFはAᵥ ~ 15から~400の範囲でのみべき乗則テールを示し、最も高密度かつ自己重力支配の強い領域をトレースしている。
• ダストN-PDFに一致させた校正済み[CS]/[H₂]濃度は10⁻⁹であり、励起および濃度の不確実性を考慮した結果である。
• 高柱密度テールのべき乗則勾配は、dust: s = -2.3、CS: s = -1.6、N2H+: s = -1.4であり、自由落下崩壊または圧力駆動の静的平衡と整合的である。