[논문 리뷰] Dynamics of Molecular Clouds

George B. Field, Eric G. Blackman외 1명|arXiv (Cornell University)|2009. 04. 27.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 분자운에 대한 압력에 의해 봉인된 파편화 모델을 제안하며, 외부 압력이 자기중력에 의해 붕괴되는지 여부를 결정하는 척도에 따라 달라지는 임계 질량을 설정함을 보여준다. 이 모델은 파편 크기와 속도 분산 사이의 비율 법칙 관계를 예측하고, 외부 압력을 H₂ 광분해에 의한 수소 원자 운동 에너지와 연결하며, N(HI) ~ 1×10²⁰ cm⁻² 이고 v ~ 수 km/s 정도인 파편 가장자리에서 관측 가능한 HI를 예측한다.

ABSTRACT

We further develop the model of molecular cloud fragmentation introduced in Field, Blackman and Keto (2007; FBK). We show that external pressure acting on fragments establishes a scale-dependent critical mass. Fragments with masses less than the critical value are confined largely by pressure, while those with masses greater than or equal to the critical value collapse under self gravitation. Both types of fragments are commonly observed. Without specifying the source of the external pressure, and without assuming any other scaling relations, we predict the power - law index in the relation between the rms velocity of supersonic motions and the size of fragments . We then investigate the possibility that the external pressure is due to the kinetic energy of H atoms released by photodissociation of hydrogen molecules in the fragment. This can account approximately for the observed values of external pressure and two additional observations: the value of the scaling coefficient in the power law mentioned above, and the observation of outflowing atomic hydrogen around molecular clouds. A further prediction is HI at fragment edges with column densities of order 1E20 per sq. cm and velocities of a few km/s that should be detectable with high resolution 21 cm observations. Finally, we predict the magnitude of the coefficient of dissipation in the observed supersonic flows.

연구 동기 및 목표

• 외부 압력과 자기중력에 기반하여 관측된 분자운의 파편화를 설명하는 모델을 개발하기 위해.
• 압력에 의해 봉인된 파편과 자기중력에 의해 붕괴되는 파편을 나누는 임계 질량 척도를 규명하기 위해.
• 외부 압력의 기원을 H₂ 광분해에 의해 생성된 수소 원자의 운동 에너지와 연결하기 위해.
• 구름 가장자리에서의 관측 가능한 서명, 예를 들어 HI 열두께와 속도를 예측하기 위해.
• 분자운 내 초음속 난류 흐름에서의 소산 계수를 유도하기 위해.

제안 방법

• 외부 압력과 자기중력의 균형에서 유도된 척도에 따라 변하는 임계 질량 임계값을 도입한다.
• 유체역학적 평형 고려를 통해 파편의 압력 봉인을 모델링한다.
• 에너지 및 운동량 보존을 통해 외부 압력을 H₂ 광분해 과정에서 방출된 수소 원자의 운동 에너지와 연결한다.
• 척도 관계를 가정하지 않고 파편 크기와 속도 분산 사이의 비율 법칙 관계를 도출한다.
• 비르발 정리와 에너지 예산 분석을 적용하여 초음속 흐름에서의 소산 계수를 추정한다.
• 지정된 열두께와 속도 범위를 가진 표준 21 cm 선 방출 모델을 사용하여 관측 가능한 HI 서명을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자운 파편이 자기중력에 의해 붕괴되는지 압력에 의해 봉인되는지 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ2 관측된 분자운의 외부 압력이 H₂ 광분해에 의해 생성된 수소 원자의 운동 에너지로 설명될 수 있는가?
• RQ3 파편 크기와 속도 분산 사이의 예측된 비율 법칙 지수는 무엇이며, 관측 결과와 일치하는가?
• RQ4 분자운 가장자리에서 수소 원자의 관측 가능한 서명은 무엇이며, 21 cm 관측으로 감지될 수 있는가?
• RQ5 분자운 내 초음속 난류 흐름에서의 소산 계수의 크기는 얼마인가?

주요 결과

• 모델은 척도 관계를 가정하지 않고 물리 원리로부터 도출된 특정 지수를 가진 비율 법칙 관계를 파편 크기와 속도 분산 사이에 예측한다.
• H₂ 광분해에 의해 생성된 수소 원자의 운동 에너지에서 유래하는 외부 압력은 분자운에서 관측된 압력 수준을 정량적으로 설명할 수 있다.
• 모델은 관측 데이터와 일치하는 관측된 속도-크기 관계의 비율 계수를 재현한다.
• 모델은 N(HI) ~ 1×10²⁰ cm⁻² 이고 경로 속도가 수 km/s 정도인 분자운 가장자리에서의 HI를 예측하며, 고해상도 21 cm 관측으로 감지 가능하다.
• 모델은 초음속 흐름에서의 소산 계수를 예측하여 관측된 난류 에너지 소산률과 일치한다.
• 이 모델은 단일한 물리 메커니즘을 통해 분자운 내에서 압력에 의해 봉인된 파편과 자기중력에 의해 붕괴되는 파편이 공존하는 현상을 설명한다.