[논문 리뷰] Understanding star formation in molecular clouds II. Signatures of gravitational collapse of IRDCs

Nicola Maria Schneider, T. Csengeri외 7명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2014. 06. 12.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 77인용 수 38

한 줄 요약

이 연구는 허셜 먼지 연속 및 CO 선 데이터를 분석하여, 다량의 적외선 어두운 구름(IRDCs)이 고립되어 있는 것이 아니라 거대 분자운(GMCs) 내에서 가장 밀도가 높은 영역이며, 중력 수축으로 인해 멱법 분포(PDF)를 나타낸다는 것을 보여준다. IRDC PDF에서 로그노멀 분포가 관측되지 않는 것은, 이 고밀도 영역에서 자기중력이 지배적임을 확인하며, 12CO 프로파일에서의 독립적인 수축 서명이 전체 수축을 뒷받iesen다.

ABSTRACT

We analyse column density and temperature maps derived from Herschel dust continuum observations of a sample of massive infrared dark clouds (G11.11-0.12, G18.82-0.28, G28.37+0.07, G28.53-0.25). We disentangle the velocity structure of the clouds using 13CO 1-0 and 12CO 3-2 data, showing that these IRDCs are the densest regions in massive giant molecular clouds and not isolated features. The probability distribution function (PDF) of column densities for all clouds have a power-law distribution over all (high) column densities, regardless of the evolutionary stage of the cloud: G11.11-0.12, G18.82-0.28, and G28.37+0.07 contain (proto)-stars, while G28.53-0.25 shows no signs of star formation. This is in contrast to the purely log-normal PDFs reported for near/mid-IR extinction maps. We only find a log-normal distribution for lower column densities, if we perform PDFs of the column density maps of the whole GMC in which the IRDCs are embedded. By comparing the PDF slope and the radial column density profile, we attribute the power law to the effect of large-scale gravitational collapse and to local free-fall collapse of pre- and protostellar cores. Independent from the PDF analysis, we find infall signatures in the spectral profiles of 12CO for G28.37+0.07 and G11.11-0.12, supporting the scenario of gravitational collapse. IRDCs are the densest regions within GMCs, which may be the progenitors of massive stars or clusters. At least some of the IRDCs are probably the same features as ridges (high column density regions with N>1e23 cm-2 over small areas), which were defined for nearby IR-bright GMCs. Because IRDCs are only confined to the densest (gravity dominated) cloud regions, the PDF constructed from this kind of a clipped image does not represent the (turbulence dominated) low column density regime of the cloud.

연구 동기 및 목표

• 다양한 GMCs에서 관측된 멱법 분포(column density PDF)의 물리적 기원을 분석하고, 덜 밀도 높은 GMCs에서 관측되는 로그노멀 분포와 대비한다.
• 자기중력이 아니라 난류나 피드백이 IRDC의 구조를 지배하는지 확인한다.
• 기수 밀도 PDF, 반경 방향 프로파일, 분자선 수축 서명을 분석하여 IRDC의 진화 단계를 평가한다.
• 다양한 파장에서의 데이터와 통계 분석을 통해 IRDC가 고립된 개체인지, 더 큰 GMC의 일부인지 명확히 한다.
• 관측된 PDF 기울기와 수축 프로파일을 자기중력, 난류가 있는 구름의 이론 모델과 연결한다. (별 형성 효율이 다양함에 따라)

제안 방법

• 허셜 적외선 먼지 방출 데이터(70–500 μm)에서 기수 밀도 지도를 구축하여 네 개의 IRDC에서 먼지 기수 밀도를 유도한다.
• 13CO (1–0) 및 12CO (3–2) 선 데이터를 사용하여 기수 밀도를 유도하고 속도 구조를 분리하여 전체 및 오염된 성분을 식별한다.
• IRDC와 그 주변 GMC의 기수 밀도 PDF를 계산하고, 로그노멀 및 멱법 피팅을 비교한다.
• 멱법 기울기 α ≈ 1.7을 사용하여 자기중력에 일치하는 구조적 일관성을 평가하기 위해 반경 기수 밀도 프로파일을 피팅한다.
• IRDC 중심부에서의 수축 운동을 나타내는 자가흡수 특징을 분석하기 위해 12CO (3–2) 선 프로파일을 분석한다.
• 수치 시뮬레이션(Federrath & Klessen 2013 등)과 비교하여 자기중력 하에서 난류가 수축으로 대체될 때 로그노멀에서 멱법 PDF로의 전이를 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IRDC의 기수 밀도 PDF는 덜 밀도 높은 분자운에서 관측되는 것처럼 로그노멀 분포를 따르는가, 아니면 중력 수축으로 인해 멱법 尾(꼬리)를 보이는가?
• RQ2 관측된 PDF 기울기와 반경 기수 밀도 프로파일이 자기중력, 난류가 있는 구름 모델의 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 12CO 선 프로파일에서의 수축 서명은 강력한 별 형성 없이도 IRDC에서의 중력 수축에 대한 독립적인 증거를 제공할 수 있는가?
• RQ4 IRDC의 별 형성 활동(또는 그 부재)은 기수 밀도 PDF와 구조적 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 IRDC는 진정으로 고립된 개체인가, 아니면 다량의 파장 데이터에 따라 제안된 것처럼 더 큰 GMC 내에서 가장 밀도 높고 중력에 의해 지배되는 영역인가?

주요 결과

• 모든 네 개의 IRDC(G11.11-0.12, G18.82-0.28, G28.37+0.07, G28.53-0.25)의 기수 밀도 PDF는 모든 고기수 밀도 영역에서 멱법 분포를 보이며, 로그노멀 성분이 없어 중력 수축이 지배적임을 나타낸다.
• PDF의 멱법 기울기(α = 1.66 ± 0.18)는 반경 기수 밀도 프로파일 기울기(α = 1.70 ± 0.07)와 일치하며, 자기중력, 구형 수축 모델과 일관된다.
• G28.37+0.07 및 G11.11-0.12에서 12CO (3–2) 선 프로파일에서 시스템적 속도에서의 자가흡수 특징이 관측되어 전체 수축을 지지한다.
• IRDC를 둘러싼 전체 GMC의 PDF는 저기수 밀도에서 로그노멀 형태를 보이고 고기수 밀도에서 멱법 꼬리를 가지지만, IRDC 전용 PDF는 공간 클리핑으로 인해 고밀도 영역에서 로그노멀 부분을 포함하지 않는다.
• G28.53-0.25처럼 활동이 없는 경우에도 모든 IRDC가 유사한 멱법 PDF를 보이며, 진화 단계와 관계없이 중력 수축이 고밀도 IRDC 핵에서 일반적인 특성임을 시사한다.
• 결과는 자기중력이 난류를 압도할 때 PDF에 멱법 꼬리가 나타나며, 관측된 기울기와 일치하는 별 형성 효율(SFE)이 약 5–20%인 수치 시뮬레이션과 일치한다.