[论文解读] Dynamics of Molecular Clouds

George B. Field, Eric G. Blackman+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 4

一句话总结

本文提出了一种分子云的压强约束碎片化模型，表明外部压强设定了与尺度相关的临界质量，该质量决定了碎片是会在自引力下坍缩，还是保持压强约束状态。该模型预测了碎片大小与速度 dispersion 之间的幂律关系，将外部压强与 H₂ 光致离解产生的 H 原子动能联系起来，并预测在碎片边缘可探测到 HI，其柱密度 N(HI) ~ 1×10²⁰ cm⁻²，速度 v ~ 几 km/s。

ABSTRACT

We further develop the model of molecular cloud fragmentation introduced in Field, Blackman and Keto (2007; FBK). We show that external pressure acting on fragments establishes a scale-dependent critical mass. Fragments with masses less than the critical value are confined largely by pressure, while those with masses greater than or equal to the critical value collapse under self gravitation. Both types of fragments are commonly observed. Without specifying the source of the external pressure, and without assuming any other scaling relations, we predict the power - law index in the relation between the rms velocity of supersonic motions and the size of fragments . We then investigate the possibility that the external pressure is due to the kinetic energy of H atoms released by photodissociation of hydrogen molecules in the fragment. This can account approximately for the observed values of external pressure and two additional observations: the value of the scaling coefficient in the power law mentioned above, and the observation of outflowing atomic hydrogen around molecular clouds. A further prediction is HI at fragment edges with column densities of order 1E20 per sq. cm and velocities of a few km/s that should be detectable with high resolution 21 cm observations. Finally, we predict the magnitude of the coefficient of dissipation in the observed supersonic flows.

研究动机与目标

• 开发一个基于外部压强和自引力的模型，以解释分子云观测到的碎片化现象。
• 确定区分压强约束碎片与自引力碎片的临界质量尺度。
• 将外部压强的起源与 H₂ 光致离解产生的 H 原子动能联系起来。
• 预测可观测的特征，如云边缘的 HI 柱密度和速度。
• 推导分子云中超音速湍流流体中的耗散系数。

提出的方法

• 从外部压强与自引力平衡出发，推导出与尺度相关的临界质量阈值。
• 利用流体静力平衡的论证，对云碎片的压强约束进行建模。
• 通过能量和动量守恒，将外部压强与 H₂ 光致离解过程中释放的 H 原子动能联系起来。
• 在不假设标度关系的前提下，推导出碎片大小与速度 dispersion 之间的幂律关系。
• 应用维里定理与能量预算分析，估算超音速流中的耗散系数。
• 利用标准 21 cm 线发射模型预测可观测的 HI 特征，指定柱密度和速度范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么决定了分子云碎片是在自引力下坍缩，还是保持压强约束状态？
• RQ2 分子云中观测到的外部压强是否可由 H₂ 光致离解产生的 H 原子动能定量解释？
• RQ3 碎片大小与速度 dispersion 之间的预测幂律指数是多少？是否与观测一致？
• RQ4 分子云边缘 H 原子的可观测特征是什么？能否通过 21 cm 观测探测到？
• RQ5 分子云中超音速湍流流体中的耗散系数大小是多少？

主要发现

• 该模型预测了碎片大小与速度 dispersion 之间的幂律关系，其指数由物理原理推导得出，无需假设标度律。
• H₂ 光致离解产生的 H 原子动能所贡献的外部压强，可定量解释分子云中观测到的压强水平。
• 该模型重现了速度-大小关系中的观测标度系数，与观测数据一致。
• 它预测在分子云边缘存在 HI，其柱密度 ~1×10²⁰ cm⁻²，径向速度为几 km/s，可通过高分辨率 21 cm 观测探测到。
• 该模型预测的超音速流中耗散系数与观测到的湍流能量耗散率相符。
• 该模型通过单一物理机制，解释了分子云中同时存在压强约束和自引力碎片的现象。