[논문 리뷰] The Thermodynamics of Molecular Cloud Fragmentation: Star Formation Under Non-Milky Way Conditions

S. Hocuk, M. Spaans|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|2009. 11. 26.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 76인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 FLASH 코드를 사용한 2차원 및 3차원 적응 메쉬 구역 분석 시뮬레이션을 통해 은하수 외 조건에서 금속성, 난류, 회전 및 가열 메커니즘이 분자의 구름의 분열과 원시은핵 형성에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 금속성이 높아질수록 냉각 효율이 향상되어 분열이 증가하지만, 우주선 및 먼지 가열은 이에 대비하여 고금속성 환경에서 분열을 억제한다. 반면 저금속성 및 성간별 폭발 영역에서는 냉각 효율이 떨어지고 복사 피드백이 강해져 분열이 감소한다.

ABSTRACT

Properties of candidate stars, forming out of molecular clouds, depend on the ambient conditions of the parent cloud. We present a series of 2D and 3D simulations of fragmentation of molecular clouds in starburst regions as well as clouds under conditions in dwarf galaxies, leading to the formation of protostellar cores. We explore in particular the metallicity dependence of molecular cloud fragmentation and the possible variations in the dense core mass function, as the expression of a multi-phase ISM, due to dynamic and thermodynamic effects in starburst and metal-poor environments. To study the level of fragmentation during the collapse, the adaptive mesh refinement code FLASH is used. With this code, including self-gravity, thermal balance, turbulence and shocks, collapse is simulated with four different metallicity dependent cooling functions. Turbulent and rotational energies are considered as well. During the simulations, number densities of 10^8-10^9 cm^-3 are reached. The influences of dust and cosmic ray heating are investigated and a comparison to isothermal cases is made. The presented results indicate that fragmentation increases with metallicity, while cosmic ray and gas-grain collisional heating counteract this. We also find that modest rotation and turbulence can impact the cloud evolution as far as fragmentation is concerned. In this light, we conclude that radiative feedback, in starburst regions, will inhibit fragmentation, while low-metallicity dwarfs also should enjoy a star formation mode in which fragmentation is suppressed.

연구 동기 및 목표

• 은하수 외 환경에서의 성간별 폭발 영역 및 저질량 은하의 환경 조건, 특히 금속성, 난류 및 회전이 분자의 구름 분열과 원시은핵 형성에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 금속성에 따라 달라지는 냉각, 먼지 가열 및 우주선 가열의 역할이 조밀한 핵 질량 함수와 初기 질량 함수(IMF)를 어떻게 형성하는지 조사하기 위해.
• 특히 효과적인 상태 방정식이 등온 가정과 비교하여 분열에 미치는 영향이 현저한지 판단하기 위해.
• 2차원 시뮬레이션의 3차원 클러스터 붕괴 역학 모델링에 대한 타당성을 평가하기 위해, 특히 회전과 난류가 존재할 경우에 대해.
• 다양한 초기 밀도 프로파일과 가열/냉각 메커니즘의 영향을 분석하여 분열 효율성과 핵 질량 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 적응 메쉬 구역(AMR) 코드인 FLASH를 사용하여 유체역학 방정식을 자중력, 열평형, 난류 및 충격 물리학을 고려해 수치적으로 해석한다.
• 저금속성 및 고금속성 환경에서의 냉각 효율을 모델링하기 위해 4종의 금속성 의존 냉각 함수를 구현한다.
• 난류 및 회전 에너지를 초기 조건으로 도입하여 분열 및 핵 형성에 미치는 영향을 평가한다.
• 기체-먼지 열결합, 우주선 가열 및 먼지 투과율 효과를 포함하며, 등온 및 비등온 사례와의 비교를 수행한다.
• 분열에 대한 초기 구조 민감도를 평가하기 위해 등온 프로파일 대비 거듭제곱형 밀도 프로파일(ρ ∝ (1 + R/Rc)^−α)을 테스트한다.
• 시뮬레이션은 10⁸–10⁹ cm⁻³의 수밀도에 도달하며, 섬입입자(sink particles)를 사용하지 않고 온도, 젠스 질량 및 분열 형성 과정을 시간에 따라 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속성이 분자의 구름에서 중력 수축 중 분열 수준에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고금속성 환경에서 우주선 가열 및 기체-먼지 열결합은 분열을 어느 정도 억제하는가?
• RQ3 초기 난류 및 회전은 조밀한 핵 형성과 그에 따른 핵 질량 함수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비등온 효과가 등온 가정과 비교하여 분열 결과에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 초기 밀도 프로파일(등온 대비 거듭제곱형)이 다양한 금속성 조건에서 분열 행동에 의미 있는 영향을 미치는가?

주요 결과

• 금속성이 높아질수록 냉각 효율이 향상되어 분열이 증가한다. 고금속성에서는 더 효율적인 복사 냉각과 더 작은 젠스 질량이 가능해지기 때문이다.
• 고금속성 환경에서 우주선 가열 및 기체-먼지 열결합은 밀도가 10⁵ cm⁻³ 이상일 때 기체 온도(Tg)가 먼지 온도(Td)와 거의 같아지게 하여 기체 온도를 안정화시키며, 이는 분열을 감소시킨다.
• 등온 시뮬레이션은 동일한 온도 조건에서도 비등온 시뮬레이션보다 분열이 적은 편이었으며, 이는 더 딱딱한 효과 상태 방정식(γ = 1) 때문이었다. 이는 냉각이 적절히 모델링되지 않으면 열역학적 물리만으로는 분열을 예측할 수 없음을 시사한다.
• 적당한 회전 또는 난류가 존재할 경우 디스크 형성이 분열 시간 스케일과 유사한 속도로 발생하여 문제를 2차원 역학으로 효과적으로 줄이며 핵 형성을 안정화시킨다.
• 비회전 3차원 시뮬레이션은 2차원 결과와 유사한 분열 패tern과 온도 변화를 보였으며, 이는 비회전 조건에서 2차원 결과의 타당성을 확인한다.
• 등온 밀도 프로파일을 사용할 경우 경쟁적 응집으로 인해 약간 더 작은 분열 질량을 유도하지만, 전체적으로 분열 빈도와 온도 변화는 거듭제곱형 프로파일과 비교해 거의 동일하다.