[論文レビュー] The early stages of molecular cloud evolution in the magnetised interstellar medium: clump morphology and evolution

Robi Banerjee, Enrique Vázquez-Semadeni+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、収束流下での弱い磁場を有する熱的に二重安定な温い中性媒体（WNM）において、3次元磁気力学的（MHD）シミュレーションを用いてクラウド形成を調査した。クラウドは熱不安定性による圧縮によって形成され、主に乱流を伴う相転移界面を通じた降着によって成長し、周囲と圧力平衡を保ち、内部のマッハ数が流入流のマッハ数と一致する。磁場は速度と一致し、クラウドの安定性を高める。

ABSTRACT

Abridged: We study the properties of clumps formed in three-dimensional weakly magnetized magneto-hydrodynamic simulations of converging flows in the thermally bistable, warm neutral medium (WNM). We find that: (1) Similarly to the situation in the classical two-phase medium, cold, dense clumps form through dynamically-triggered thermal instability in the compressed layer between the convergent flows, and are often characterised by a sharp density jump at their boundaries though not always. (2) However, the clumps are bounded by phase-transition fronts rather than by contact discontinuities, and thus they grow in size and mass mainly by accretion of WNM material through their boundaries. (3) The clump boundaries generally consist of thin layers of thermally unstable gas, but these layers are often widened by the turbulence, and penetrate deep into the clumps. (4) The clumps are approximately in both ram and thermal pressure balance with their surroundings, a condition which causes their internal Mach numbers to be comparable to the bulk Mach number of the colliding WNM flows. (5) The clumps typically have mean temperatures 20 < T < 50 K, corresponding to the wide range of densities they contain (20 < n < 5000 pcc) under a nearly-isothermal equation of state. (6) The turbulent ram pressure fluctuations of the WNM induce density fluctuations that then serve as seeds for local gravitational collapse within the clumps. (7) The velocity and magnetic fields tend to be aligned with each other within the clumps, although both are significantly fluctuating, suggesting that the velocity tends to stretch and align the magnetic field with it. (8) The typical mean field strength in the clumps is a few times larger than that in the WNM. (9) The magnetic field strength has a mean value of B ~ 6 mu G ...

研究の動機と目的

• 磁化され、熱的に二重安定な銀河間媒体における分子雲クラウドの初期進化を理解すること。
• 収束流における磁場と乱流がクラウドの形状と成長メカニズムに与える影響を調査すること。
• 熱不安定性と衝撃圧力の揺らぎがクラウド内での重力収縮を引き起こす役割を特定すること。
• 周囲の温い中性媒体（WNM）に対するクラウド内における磁場の整列と強度を検討すること。

提案手法

• 熱的に二重安定な温い中性媒体（WNM）における収束流を対象とした、3次元的で弱い磁場を有する理想磁気力学（MHD）シミュレーションを実施する。
• 熱的相転移を捉えるために、ほぼ等温状態方程式を用いて銀河間媒体をモデル化する。
• 圧縮された界面層における動的駆動型熱不安定性によって生じる高密度クラウドの形成と進化を追跡する。
• 接触不連続面と相転移界面を区別するため、クラウド境界の構造を分析する。
• 内部マッハ数、圧力平衡、および速度場に対する磁場の整列を測定する。
• 乱流による衝撃圧力の揺らぎを定量的に評価し、クラウド内での局所的重力収縮の発火要因としての役割を解明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱的に二重安定なWNMにおける収束流下で、弱い磁場が存在する条件下でクラウドはどのように形成され、進化するか？
• RQ2 クラウドの主な成長メカニズムは、相転移界面を通じた降着か、それ以外のプロセスか？
• RQ3 クラウドは周囲とどの程度圧力平衡を保っているのか？ これは内部ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ4 クラウド内における磁場と速度場の整列はどの程度で、その結果としての磁場強度はどの程度か？
• RQ5 乱流による衝撃圧力の揺らぎは、クラウド内での重力収縮の誘発に果たす役割は何か？

主な発見

• クラウドは、収束流の間の圧縮層における熱的誘発不安定性によって形成され、境界部に急激な密度ジャンプを示すことが多い。
• クラウドは、接触不連続面ではなく、乱流を伴う相転移界面を通じた温い中性媒体（WNM）物質の降着によって主に成長する。
• クラウド境界は、しばしば乱流によって広げられ、貫通される、薄い熱的に不安定な層から構成される。
• クラウドは、流入するWNMの平均マッハ数と同等の内部マッハ数を示す、衝撃圧力および熱的圧力平衡状態にある。
• クラウドの平均温度は20 Kから50 Kの間であり、密度は20から5000 pccの範囲にあり、ほぼ等温状態方程式と整合的である。
• WNM内の乱流による衝撃圧力の揺らぎが、クラウド内での局所的重力収縮の種となる密度揺らぎを引き起こす。
• 速度場と磁場はクラウド内で顕著に整列しており、速度場が磁場を引き伸ばして整列させる。
• クラウド内の平均磁場強度は周囲のWNMよりも数倍高く、典型的にはB ~ 6 μGである。