[논문 리뷰] Formation and evolution of interstellar filaments; Hints from velocity dispersion measurements

D. Arzoumanian, P. André외 2명|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|2013. 03. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 65인용 수 65

한 줄 요약

이 논문은 열적으로 초임계인 간성 필라멘트가 주변 기체의 중력 수축과 응집을 겪으며, 기둥 밀도의 제곱근에 비례하는 속도 분산을 증가시켜 내부 폭을 일정하게 유지한다고 제안한다 (~0.1 pc). 13CO, C18O, N2H+ 선 관측 결과 초임계 필라멘트의 속도 분산은 σ_tot ∝ Σ₀⁰.⁵로 스케일링되며, 이는 난류가 아니라 중력 에너지의 전환에 의해 유도됨을 보여주며, 응집이 수축과 핵 형성 기간 동안 비르발 균형을 유지하는 시나리오를 지지한다.

ABSTRACT

We investigate the gas velocity dispersions of a sample of filaments recently detected as part of the Herschel Gould Belt Survey in the IC5146, Aquila, and Polaris interstellar clouds. To measure these velocity dispersions, we use 13CO, C18O, and N2H+ line observations obtained with the IRAM 30m telescope. Correlating our velocity dispersion measurements with the filament column densities derived from Herschel data, we show that interstellar filaments can be divided into two regimes: thermally subcritical filaments, which have transonic velocity dispersions (c_s ~< σ_tot < 2 c_s) independent of column density, and are gravitationally unbound; and thermally supercritical filaments, which have higher velocity dispersions scaling roughly as the square root of column density (σ_tot ~ Σ^0.5), and are self-gravitating. The higher velocity dispersions of supercritical filaments may not directly arise from supersonic interstellar turbulence but may be driven by gravitational contraction/accretion. Based on our observational results, we propose an evolutionary scenario whereby supercritical filaments undergo gravitational contraction and increase in mass per unit length through accretion of background material while remaining in rough virial balance. We further suggest that this accretion process allows supercritical filaments to keep their approximately constant inner widths (~ 0.1 pc) while contracting.

연구 동기 및 목표

• 분자운 안에서 간성 필라멘트의 역학적 진화를 이해하기 위해.
• 필라멘트의 속도 분산이 난류에서 비롯되는지 아니면 중력 수축에서 비롯되는지 규명하기 위해.
• 초임계 필라멘트가 응집을 통해 진화하면서 비르발 균형을 유지하는가를 시험하기 위해.
• 필라멘트 단위 길이당 질량과 속도 분산을 별 형성의 시작과 연결하기 위해.
• 중력 에너지가 필라멘트 내 비열역학적 운동을 유지하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• IRAM 30m 망원경을 이용해 13CO, C18O, N2H+ 선 방출을 측정하여 기체의 속도 분산을 측정하였다.
• 헤셸이 유도한 기둥 밀도와의 상관관계를 통해 필라멘트를 열적으로 임계 이하 또는 초임계로 분류하였다.
• 중력 안정성과 수축을 평가하기 위해 유효 젠스 직경 D_J,eff = 2σ_tot² / (GΣ₀) 를 사용하였다.
• 임계 이하 및 초임계 필라멘트 하위표본에 대해 속도 분산과 기둥 밀도 간의 거듭제곱 법칙 관계를 피팅하였다.
• 관측된 속도 분산 스케일링을 중력 수축 및 응집 모델의 이론적 기대와 비교하였다.
• 응집에 의해 유도되는 난류와 필라멘트 붕괴의 수치 시뮬레이션 결과와의 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간성 필라멘트의 속도 분산은 기둥 밀도에 따라 스케일링되며, 만약 그렇다면 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 초임계 필라멘트에서 비열역학적 속도 분산의 기원은 난류인지 아니면 중력 수축인가?
• RQ3 응집과 함께 수축하면서도 초임계 필라멘트가 일정한 내부 폭 (~0.1 pc) 을 유지할 수 있는가?
• RQ4 진화하는 필라멘트에서 중력 에너지가 운동 에너지로 전환된다는 증거가 있는가?
• RQ5 응집 과정이 필라멘트의 비르발 균형과 분열 가능성을 어떻게 영향을 주는가?

주요 결과

• 열적으로 임계 이하 필라멘트는 기둥 밀도에 영향을 받지 않는 전음속 속도 분산(σ_tot ≈ 1.5 cs)을 보이며, 이는 중력적으로 비결속되어 있음을 시사한다.
• 열적으로 초임계 필라멘트는 속도 분산이 σ_tot ∝ Σ₀⁰.⁵로 스케일링되며, 이는 단위 길이당 질량 증가에 대한 역학적 반응을 나타낸다.
• 초임계 필라멘트의 유효 젠스 직경 D_J,eff 는 약 0.14 ± 0.07 pc 로 일정하게 유지되며, 이는 수축 기간 동안 지속적인 비르발 균형을 지지한다.
• 관측된 속도 분산 스케일링은 순수한 난류 기원과 일치하지 않으며, 오히려 응집에 의해 유도되는 중력 에너지 전환을 시사한다.
• 초임계 필라멘트는 수축하면서 배경 물질을 응집함으로써 일정한 폭을 유지하며 안정된 내부 구조를 유지할 가능성이 있다.
• 결과는 응집에 의해 유도되는 난류와 중력 에너지 전환이 비열역학적 운동을 유지하고, 핵 형성과 별 형성 가능성을 가능하게 한다는 시나리오를 지지한다.