[논문 리뷰] On the stability of nonisothermal Bonnor-Ebert spheres. III. The role of chemistry in core stabilization

O. Sipilä, P. Caselli외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 21.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 비열역학적 보너-에버트 구름으로 모델링된 성분이 없는 은하핵의 중력 안정성에 화학적 과정이 미치는 영향을 조사한다. 시간에 따라 변화하는 화학 및 복사 전달 모델을 결합하여 기체 온도의 변화를 계산함으로써, 저자들은 화학이 핵심 안정성에 영향을 미치는 무차원 반경 ξ_out에 거의 영향을 주지 않음을 발견한다. 대부분의 핵은 초기 안정 상태에 머무르며, 특히 초기에는 불안정한 핵에서 늦은 시기의 안정화(ξ_out 감소)가 드물게 가능하다.

ABSTRACT

Aims. We investigate the effect of chemistry on the stability of starless cores against gravitational collapse. Methods. We combine chemical and radiative transfer simulations in the context of a modified Bonnor-Ebert sphere to model the effect of chemistry on the gas temperature, and study the effect of temperature changes on core stability. Results. We find that chemistry has in general very little effect on the nondimensional radius $ξ_{ m out}$ which parametrizes the core stability. Cores that are initially stable or unstable tend to stay near their initial states, in terms of stability (i.e., $ξ_{ m out} \sim$ constant), as the chemistry develops. This result is independent of the initial conditions. We can however find solutions where $ξ_{ m out}$ decreases at late times ($t \gtrsim 10^6 \, m yr$) which correspond to increased stabilization caused by the chemistry. Even though the core stability is unchanged by the chemistry in most of the models considered here, we cannot rule out the possibility that a core can evolve from an unstable to a stable state owing to chemical evolution. The reverse case, where an initially stable core becomes ultimately unstable, seems highly unlikely. Conclusions. Our results indicate that chemistry should be properly accounted for in studies of star-forming regions, and that further investigations of core stability especially with hydrodynamical models are warranted.

연구 동기 및 목표

• 화학적 진화가 성분이 없는 은하핵이 중력 불안정성에서 안정성으로, 또는 그 반대로 전이시킬 수 있는지 평가하기.
• 시간에 따라 변화하는 화학이 기체 온도에 미치는 영향과, 그로 인해 비열역학적 핵에서 안정성 파라미터 ξ_out에 어떤 영향을 미치는지 규명하기.
• 화학적 과정이 성분이 없는 은하핵의 수명 또는 붕괴 시간스케일을 상당히 변화시킬 수 있는지 평가하기.
• 다양한 초기 화학 조건과 핵 구조에서 핵 안정성 예측의 탄력성 테스트하기.
• 동역학적 시간스케일 << 화학적 시간스케일이라는 평형 가정이 화학-안정성 결합 연구에 타당한지 확인하기.

제안 방법

• 핵심 안정성에 영향을 미치는 비열역학적 보너-에버트 구름의 수정형(MBES)으로 성분이 없는 은하핵을 모델링하고, 반경 방향으로 변화하는 온도 프로파일을 적용한다.
• 세밀한 화학 네트워크를 사용하여 시간에 따라 변화하는 분자 농도와 기체 냉각률을 계산한다.
• 화학 진화를 복사 전달과 결합하여 기체 온도의 변화를 자동으로 계산한다.
• 이전 연구(Sipilä et al. 2011, 2015c)에서 제시된 안정성 기준을 적용하며, 이 기준은 무차원 반경 ξ_out에 의해 결정된다.
• 고정된 중심 밀도와 외부 압력 조건을 가정하고, 비열역학적 속도 분산은 일정하다고 가정한다.
• 시간에 따라 ξ_out를 추적(최대 약 10^6년)하여 화학적 진화로 인한 안정성 상태 변화 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 성분이 없는 은하핵 내 화학적 진화가 중력 불안정성에서 안정성으로의 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ2 화학이 기여하는 기체 온도의 시간적 변화가 안정성 파라미터 ξ_out에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 초기 화학 상태(예: 원자성 vs 분자성)가 핵의 안정성 진화에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ4 화학 과정으로 인해 안정 상태에서 불안정 상태로의 반대 전이가 가능한가?
• RQ5 화학이 핵의 안정성에 상당한 영향을 미치기 위해 필요한 최대 시간스케일은 얼마인가?

주요 결과

• 화학은 대부분의 핵에 대해 거의 영향을 주지 않으며, ξ_out가 시간에 따라 약간도 변하지 않는다.
• 드문 경우이지만, 특히 초기에는 불안정한 핵에서 ξ_out가 늦은 시기(t ≳ 10^6 yr)에 감소하는 경우가 있으며, 이는 화학적 안정화 가능성을 시사한다.
• 화학으로 인한 불안정 상태에서 안정 상태로의 전이가 가능하지만, 일반적으로 약 10^6년의 시간스케일에서만 발생할 가능성이 있다.
• 반대 전이(안정 → 불안정)는 모델에 따르면 매우 불가능해 보인다.
• 초기 조건(예: 화학 조성)은 ξ_out의 절대값에 영향을 주지만, 안정성이 화학에 의해 크게 변화하지 않는다는 결론에 영향을 주지 않는다.
• 결과적으로 화학은 안정성 연구에 포함되어야 하며, 특히 동역학 모델에서는 더욱 그러하다. 그러나 평형 가정은 실제 핵 진화를 단순화할 수 있다.