[논문 리뷰] The Formation of Massive Molecular Filaments and Massive Stars Triggered by a MHD Shock Wave

Tsuyoshi Inoue, P. Hennebelle외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 분자운 클러스터 간의 충돌로 발생하는 강력한 자기유체역학(MHD) 충격파가 거대 분자 필라멘트와 거대성의 형성 촉진하는 것으로 제안한다. 적응 격자 분해능과 수 sink 입자를 사용한 고해상도 등온 MHD 시뮬레이션을 통해 충격압축이 자기장에 수직인 방향으로 기체를 고선밀도 필라멘트로 집중시켜 전역적 붕괴와 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹을 초과하는 질량 축적률을 가능하게 함을 입증한다. 이는 약 3×10⁵ 년 이내에 50 M☉ 이상의 수치를 보이는 sink 질량을 초래하며, O형 항성 형성의 타당한 경로를 시사한다.

ABSTRACT

Recent observations suggest that intensive molecular cloud collision can trigger massive star/cluster formation. The most important physical process caused by the collision is a shock compression. In this paper, the influence of a shock wave on the evolution of a molecular cloud is studied numerically by using isothermal magnetohydrodynamics (MHD) simulations with the effect of self-gravity. Adaptive-mesh-refinement and sink particle techniques are used to follow long-time evolution of the shocked cloud. We find that the shock compression of turbulent inhomogeneous molecular cloud creates massive filaments, which lie perpendicularly to the background magnetic field as we have pointed out in a previous paper. The massive filament shows global collapse along the filament, which feeds a sink particle located at the collapse center. We observe high accretion rate dot{M}_acc > 10^{-4} M_sun/yr that is high enough to allow the formation of even O-type stars. The most massive sink particle achieves M>50 M_sun in a few times 10^5 yr after the onset of the filament collapse.

연구 동기 및 목표

• 분자운 간 충돌로 발생하는 강력한 MHD 충격파가 거대 분자 필라멘트와 거대성 형성에 어떻게 기여하는지 조사하기 위해.
• 자기장이 있는 난류 분자운에서의 충격압축이 거대성 형성에 유리한 조건을 만들어내는지 여부를 규명하기 위해.
• 자기장이 충격압축 역학을 어떻게 변화시키고 고질량 질량 축적률을 가능하게 하는지 역할 평가하기 위해.
• 다양한 수치 해상도와 초기 조건에서 거대 필라멘트 및 항성 형성의 강건성 평가하기 위해.
• S116 및 NGC6334와 같은 영역에서 관측된 필라멘트 구조와 비교하여 충돌 유도 촉진 메커니즘을 평가하기 위해.

제안 방법

• 자기장과 자중력을 고려한 등온 자기유체역학(MHD) 수치 시뮬레이션을 통해 난류적이고 자기장이 있는 분자운에서의 충격압축을 모델링하기 위해.
• 소규모 구조와 고밀도 영역을 동적으로 해상화하기 위해 적응 격자 분해능(AMR)을 사용한다.
• 중력 수축과 질량 축적을 모델링하기 위해 sink 입자 기법을 도입하였으며, 형성 임계값은 약 3×10⁻¹⁷ g cm⁻³이다.
• 충격을 받은 구름의 장기적 진화를 추적하며, 필라멘트 형성, 선밀도 변화, 질량 축적 역사에 중점을 둔다.
• 알프레드 마흐 수와 자기장 강도가 핵심 매개변수이며, 압축비 r ≃ √2 M_A (M_A > M_s 일 때)이다.
• 수치 수렴성을 평가하기 위해 AMR 수준과 sink 형성 임계값을 변화시켜 민감도 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구름 간 충돌로 발생하는 강력한 MHD 충격파가 거대성 형성에 충분한 선밀도를 지닌 거대 분자 필라멘트를 생성할 수 있는가?
• RQ2 자기장이 충격압축을 어떻게 변화시키고 필라멘트에서 고속 질량 축적률을 가능하게 하는가?
• RQ3 거대성 형성 영역에서 관측된 고속 질량 축적률(>10⁻⁴ M☉ yr⁻¹)이 충격 유도 필라멘트 붕괴에 의해 재현될 수 있는가?
• RQ4 MHD 충격과 자중력 존재 하에서 가장 질량이 큰 sink 입자의 질량과 질량 축적률은 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 다양한 수치 해상도와 sink 형성 임계값에서 충격 유도 필라멘트 붕괴에 의한 거대성 형성 메커니즘이 강건한가?

주요 결과

• 난류적이고 자기장이 있는 분자운의 충격압축은 자기장에 수직으로 정렬된 선밀도가 최대 100 M☉ pc⁻¹에 이르는 거대 필라멘트를 형성한다.
• 이 필라멘트들은 전역적 종방향 붕괴를 겪으며, 중심 sink 입자에 10⁻⁴ M☉ yr⁻¹을 초과하는 질량 축적률을 공급하여 O형 항성 형성에 충분한 조건을 제공한다.
• 가장 질량이 큰 sink 입자는 필라멘트 붕괴 시작 후 약 3×10⁵ 년 이내에 50 M☉ 이상의 질량에 도달한다.
• 이 형성 메커니즘은 곡률을 띤 MHD 충격파에 의한 집중 유동에 의해 주도되며, Inoue & Fukui (2013)가 제안한 이론적 프레임워크와 일치한다.
• 시뮬레이션 결과, 다양한 AMR 수준에서 sink 질량과 질량 축적률이 안정적으로 유지되어 수치적 해상도 변화에 대해 강건함을 보였다.
• S116 및 NGC6334와 같은 영역에서 관측된 거대 필라멘트의 관측 결과와 일치하며, 여기서는 충격 유도 필라멘트 강화가 추론된다.