[论文解读] Network of Star Formation: Fragmentation controlled by scale-dependent turbulent pressure and accretion onto the massive cores revealed in the Cygnus-X GMC complex

Guang-Xing Li, Yue Cao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 53被引用 9

一句话总结

本文提出一种基于Delaunay三角剖分的方法，用于分析天鹅座-X星云中密集核的相互作用，揭示核间距与面密度的关系为Σ ∝ l⁻⁰.²⁸，表明碎片化过程受尺度依赖的湍流压力控制。大质量核（M > 10 M⊙）主要通过吸积增长，表现为周围气体 reservoir 的耗竭；而低质量核则通过碎片化形成，其形成机制的转变与核质量函数从对数正态分布向幂律分布的转变相一致。

ABSTRACT

Molecular clouds have complex density structures produced by processes including turbulence and gravity. We propose a triangulation-based method to dissect the density structure of a molecular cloud and study the interactions between dense cores and their environments. In our {approach}, a Delaunay triangulation is constructed, which consists of edges connecting these cores. Starting from this construction, we study the physical connections between neighboring dense cores and the ambient environment in a systematic fashion. We apply our method to the Cygnus-X massive GMC complex and find that the core separation is related to the mean surface density by $\Sigma_{ m edge} \propto l_{ m core }^{-0.28 }$, which can be explained by {fragmentation controlled by a scale-dependent turbulent pressure (where the pressure is a function of scale, e.g. $p\sim l^{2/3}$)}. We also find that the masses of low-mass cores ($M_{ m core} < 10\, M_{\odot}$) are determined by fragmentation, whereas massive cores ($M_{ m core} > 10\, M_{\odot}$) grow mostly through accretion. The transition from fragmentation to accretion coincides with the transition from a log-normal core mass function (CMF) to a power-law CMF. By constructing surface density profiles measured along edges that connect neighboring cores, we find evidence that the massive cores have accreted a significant fraction of gas from their surroundings and thus depleted the gas reservoir. Our analysis reveals a picture where cores form through fragmentation controlled by scale-dependent turbulent pressure support, followed by accretion onto the massive cores, {and the method can be applied to different regions to achieve deeper understandings in the future.

研究动机与目标

• 系统研究分子云中密集核与其周围环境之间的物理关联。
• 确定主导大质量恒星形成区中核质量聚集的物理机制——碎片化与吸积。
• 研究对数正态分布与幂律分布核质量函数之间的转变及其物理成因。
• 量化尺度依赖的湍流压力在调节核间距与碎片化过程中的作用。

提出的方法

• 以密集核的位置作为顶点构建Delaunay三角剖分网格，形成连接邻近核的边。
• 定义每条边的属性：核间距（lcore）、沿边的平均面密度（Σ）以及填充因子（f）。
• 应用量纲分析与湍流模型，推导在热压力与湍流压力支持下核间距的理论标度律。
• 使用“填充因子”指标评估大质量核周围气体的耗竭情况，以指示吸积活动。
• 在对数-对数空间中进行统计拟合，得出经验标度关系：NH₂ ≈ 8.1×10²¹ cm⁻² (lcore/1 pc)⁻⁰.²⁸。
• 通过流体动力学模拟（Arepo）验证二维投影核间距可作为三维距离的可靠代理，显示80%的核对满足d₃D/d₂D ≲ 1.58。

实验结果

研究问题

• RQ1 天鹅座-X星云中核间距与连接气体的平均面密度之间有何相关性？
• RQ2 主导核碎片化的物理机制是热压力、湍流压力还是引力？其标度行为如何随尺度变化？
• RQ3 在何种核质量下，主导的质量增长机制会从碎片化转变为吸积？
• RQ4 从对数正态分布到幂律分布的核质量函数转变，与核形成所受物理过程有何关联？
• RQ5 大质量核在多大程度上通过吸积耗竭其周围气体储备？

主要发现

• 核间距（lcore）与平均面密度的关系为Σ ∝ l⁻⁰.²⁸core，与热碎片化不一致，但与尺度依赖的湍流压力支持（p ∼ l²/³）一致。
• 低质量核（Mcore < 10 M⊙）主要通过碎片化形成，而大质量核（Mcore > 10 M⊙）则主要通过周围气体的吸积增长。
• 碎片化向吸积的转变与核质量函数从对数正态分布向幂律分布的转变相一致，表明形成物理机制发生根本性变化。
• 与大质量核相连的边上的填充因子显著降低，表明因吸积导致周围气体大量耗竭。
• 经验关系NH₂ ≈ 8.1×10²¹ cm⁻² (lcore/1 pc)⁻⁰.²⁸ 定量描述了核间距与环境面密度之间的观测标度关系。
• 二维投影核间距是三维距离的可靠代理，因为80%的模拟核对满足d₃D/d₂D ≤ 1.58，验证了该方法的几何假设。