[논문 리뷰] Understanding star formation in molecular clouds III. Probability distribution functions of molecular lines in Cygnus X

N. Schneider, S. Bontemps외 12명|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|2015. 09. 03.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 87인용 수 26

한 줄 요약

이 연구는 시리우스 X 노스의 분자선 데이터(12CO, 13CO, C18O, CS, N2H+)로부터 수소 분자 열량 밀도의 확률분포함수(N-PDFs)를 유도하고 허셜의-dust 열량 밀도 맵과 비교한다. CO 이소토포글은 저조도 Aᵥ에서 로그노멀 분포를 보이며, 광학 두께와 고착으로 인해 편차를 보이지만, CS와 N2H+는 중력 주도의 자유낙하 붕괴에 일치하는 고밀도 파wer-법 꼬리 부분을 추적한다. 보정된 [CS]/[H₂] 농도는 10⁻⁹이며, 파워-법 기울기는 약 -1.6로, 중력 주도의 구조 형성에 기여한다.

ABSTRACT

Column density (N) PDFs serve as a powerful tool to characterize the physical processes that influence the structure of molecular clouds. Star-forming clouds can best be characterized by lognormal PDFs for the lower N range and a power-law tail for higher N, commonly attributed to turbulence and self-gravity and/or pressure, respectively. We report here on PDFs obtained from observations of 12CO, 13CO, C18O, CS, and N2H+ in the Cygnus X North region and compare to a PDF derived from dust observations with the Herschel satellite. The PDF of 12CO is lognormal for Av~1-30, but is cut for higher Av due to optical depth effects. The PDFs of C18O and 13CO are mostly lognormal up for Av~1-15, followed by excess up to Av~40. Above that value, all CO PDFs drop, most likely due to depletion. The high density tracers CS and N2H+ exhibit only a power law distribution between Av~15 and 400, respectively. The PDF from dust is lognormal for Av~3-15 and has a power-law tail up to Av~500. Absolute values for the molecular line column densities are, however, rather uncertain due to abundance and excitation temperature variations. Taken the dust PDF face value, we 'calibrate' the molecular line PDF of CS to the one of the dust and determined an abundance [CS]/[H2] of 10^-9. The slopes of the power-law tails of the CS, N2H+, and dust PDFs are consistent with free-fall collapse of filaments and clumps. A quasi static configuration of filaments and clumps can possibly also account for the observed N-PDFs, as long as they have a sufficiently condensed density structure and external ram pressure by gas accretion is provided. The somehow flatter slopes of N2H+ and CS can reflect an abundance change and/or subthermal excitation at low column densities.

연구 동기 및 목표

• 분자선 복사에서 유도된 확률분포함수(N-PDFs)를 사용하여 시리우스 X 노스의 분자운의 열량 밀도 구조를 특성화하는 것.
• 분자선에서 유도된 N-PDFs를 허셜 먼지 열량 밀도 맵의 N-PDFs와 비교하여 일관성과 한계를 평가하는 것.
• 광학 두께, 농도 변화, 진동 온도가 분자선 기반 N-PDFs에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 먼지 관측치에 기반한 보정을 통해 분자선 N-PDFs를 보정하고 분자 농도를 제약하며 물리 조건을 평가하는 것.

제안 방법

• 시리우스 X 노스에서 12CO, 13CO, C18O, CS, N2H+ 선의 통합강도 맵에서 N-PDFs를 유도하고, 등온 상태와 일정한 진동 온도(10 K) 조건 하에서 복사온도를 H₂ 열량 밀도로 변환한다.
• 허셜 36'' 해상도의 먼지 열량 밀도 맵(Aᵥ ~ 0.1–1000)을 기준으로 보정 및 비교에 사용한다.
• 먼지 기반 보정을 통해 분자선 PDFs를 조정하기 위해 분포를 먼지 N-PDF와 일치시키고, [CS]/[H₂] 농도를 추정한다.
• 압력에 의한 자유낙하 붕괴 또는 수체정지 평형 상태에서의 고밀도 파워-법 꼬리 기울기를 시험하기 위해 모델링을 수행한다.
• CO 이소토포글에서 고Aᵥ 영역에서의 로그노멀 행동에서의 편차를 분석함으로써 광학 두께 효과를 고려한다.
• 파arametric 이동을 통해 농도 및 진동 온도 변화가 N-PDF 형상에 미치는 영향을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시리우스 X 노스에서 분자선에서 유도된 N-PDFs는 먼지 열량 밀도 맵의 N-PDFs와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 고열량 밀도 영역에서 CO 이소토포글 PDFs의 관측된 로그노멀 행동에서의 편차는 무엇 때문인가?
• RQ3 광학 두께, 고착, 진동 온도 변화가 분자선 기반 N-PDFs의 신뢰성에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 분자선 PDFs가 먼지 N-PDF와 일치할 때 보정된 [CS]/[H₂] 농도는 얼마인가?
• RQ5 CS와 N2H+ PDFs의 관측된 파워-법 꼬리는 자유낙하 붕괴 또는 밀도 필라멘트에서의 수체정지 평형 상태와 일치하는가?

주요 결과

• 12CO N-PDF는 Aᵥ ~ 1–30에서 로그노멀이지만, 고Aᵥ에서 광학 두께 효과로 인해 잘린다. 이는 복사의 포화를 나타낸다.
• 13CO와 C18O N-PDFs는 Aᵥ ~ 1–15까지 로그노멀 행동을 보이며, Aᵥ ~ 15–40 범위에서 과잉을 보이며, C18O는 고밀도 기체에 일치하는 파워-법 꼬리 부분을 보인다.
• 모든 CO 이소토포글 PDFs는 Aᵥ ~ 40 이상에서 감소하며, 이는 CO가 먼지 입자에 고착되어 얼어붙기 시작함을 나타내어, 동결의 시작을 시사한다.
• CS와 N2H+ N-PDFs는 Aᵥ ~ 15에서 ~400까지 오직 파워-법 꼬리 부분만을 보이며, 이는 가장 높은 밀도와 자기중력이 작용하는 영역을 추적함을 나타낸다.
• 먼지 N-PDF와 일치시킬 때 보정된 [CS]/[H₂] 농도는 10⁻⁹이며, 진동 및 농도 불확실성을 고려한 것이다.
• 고열량 밀도 꼬리의 파워-법 기울기는 먼지 기준 s = -2.3, CS 기준 s = -1.6, N2H+ 기준 s = -1.4로, 자유낙하 붕괴 또는 압력에 의한 수체정지 평형 상태와 일치한다.