[論文レビュー] What Shapes the Structure of Molecular Clouds: Turbulence or Gravity?

Alexei G. Kritsuk, Michael L. Norman|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高解像度シミュレーションと次元解析を用いて、0.1–50 pcスケールの分子雲における観測された幅–サイズおよび質量–サイズのスケーリング関係が、主に重力ではなく衝撃的乱流によって形作られていると主張している。重力支配への遷移は、乱流の自己相似性が崩れる音響的スケール ℓₛ ≈ 0.1 pc 付近で発生し、その結果、プレスターラルコアが形成される。この現象により、バーリン平衡を仮定せずにコア質量関数と星形成の閾値が説明可能となる。

ABSTRACT

We revisit the origin of Larson's scaling relations, which describe the structure and kinematics of molecular clouds, based on recent observations and large-scale simulations of supersonic turbulence. Using dimensional analysis, we first show that both linewidth-size and mass-size correlations observed on scales 0.1-50 pc can be explained by a simple conceptual theory of compressible turbulence without resorting to the often assumed virial equilibrium or detailed energy balance condition. The scaling laws can be consistently interpreted as a signature of supersonic turbulence with no need to invoke gravity. We then show how self-similarity of structure established by the turbulence breaks in star-forming clouds through development of gravitational instabilities in the vicinity of the sonic scale, l_s~0.1 pc, leading to the formation of prestellar cores.

研究の動機と目的

• 最近の観測とシミュレーションを用いて、分子雲におけるラーソンのスケーリング関係の起源を再評価すること。
• スケールにわたる雲構造を形作る主因が乱流か重力かを特定すること。
• バーリン平衡を仮定せずに、観測されたドリフト幅–サイズおよび質量–サイズ相関が圧縮可能な乱流によって説明可能かどうかを評価すること。
• 重力不安定性が乱流の自己相似性を破り、コア形成を引き起こすスケールを同定すること。
• 分子雲における乱流支配から重力支配へのダイナミクスの遷移を定量化すること。

提案手法

• 衝撃的乱流におけるドリフト幅–サイズおよび質量–サイズ関係のスケーリング法則を導出するために次元解析を適用した。
• 等温かつ圧縮可能な乱流の高解像度数値シミュレーションを用い、観測された速度構造関数のスケーリング（S₁(u,ℓ) ∝ ℓ^0.56）を検証した。
• 乱流の自己相似性が崩れる臨界遷移スケールとして音響スケール ℓₛ ≈ 0.1 pc を定義した。
• スケール ℓ における重力不安定性の開始を評価するための安定性パラメータ μₗ = mₗ / mⱼₗ を導入した。
• 次元的推論を用いて、乱流支配域（ℓ ≲ ℓₛ）および重力支配域（ℓ ≳ ℓₛ）における速度分散 σₗ および質量 Mₗ のスケーリング法則を導出した。
• ℓ > ℓₛ における自由落下時間 t_ff ∝ ℓ^0.32 および μₗ ∝ ℓ^0.4 を分析し、重力不安定性の非線形成長を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子雲における観測されたドリフト幅–サイズおよび質量–サイズのスケーリング関係は、バーリン平衡を仮定せずに衝撃的乱流によって説明可能か？
• RQ2 分子雲における乱流に起因する自己相似性が重力不安定性によってどこで崩れるか？
• RQ3 音響スケール ℓₛ ≈ 0.1 pc がプレスターラルコアの特徴的質量を決定する役割を果たすか？
• RQ4 安定性パラメータ μₗ はスケールに応じてどのように変化し、重力収縮の開始を示すのはいつか？
• RQ5 速度構造関数の観測されたスケーリング指数は、衝撃的乱流シミュレーションの予測とどの程度一致するか？

主な発見

• ドリフト幅–サイズ関係 σᵤ ∝ L^0.56 は、バーリン平衡ではなく衝撃的乱流と整合的であり、Mₛ = 6 の数値シミュレーションとも一致する。
• 乱流から導かれた質量–サイズ関係はサイズに弱い依存性（M ∝ L^−0.1）を示し、Solomonら（1987）の観測で示された定常表面密度 Σ ≈ const と整合的である。
• ℓ ≲ ℓₛ では安定性パラメータ μₗ ∝ ℓ^2.04、ℓ ≳ ℓₛ では μₗ ∝ ℓ^0.4 であり、音響スケール ℓₛ ≈ 0.1 pc で明確なスケーリングの不連続が生じている。
• 重力不安定性はスケール ℓ ≳ ℓ_J ≈ ℓₛ で非線形的かつ支配的となり、プレスターラルコア形成の開始を示す。
• 音響スケール ℓₛ ≈ 0.1 pc はコア質量関数の特徴的質量および星形成の閾値表面密度を決定づける。
• 乱流の自己相似性は約 10⁻³ pc まで持続するが、ℓₛ ≈ 0.1 pc で密度の高い領域で崩れ、重力が支配的になり質量–サイズスケーリングが変化する。