[論文レビュー] Understanding star formation in molecular clouds I. Effects of line-of-sight contamination on the column density structure

Nicola Maria Schneider, V. Ossenkopf+7 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Mar 12, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 76被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、ハーシェル観測とシミュレーションを用いて、前景および背景の雲による視線方向（LOS）混入が分子雲内の柱密度確率分布関数（PDF）に与える歪みを調査する。視線方向混入を補正した後、すべての雲でA_V ~2 magにログノーマルPDFのピークが現れ、A_V ~4–5 magに歪度の変化点（DP）が現れ、傾き~−2.6のパワーロー尾部を示す。これは重力収縮と乱流駆動構造と整合的である。

ABSTRACT

Column-density maps of molecular clouds are one of the most important observables in the context of molecular cloud- and star-formation (SF) studies. With the Herschel satellite it is now possible to determine the column density from dust emission. We use observations and simulations to demonstrate how LOS contamination affects the column density probability distribution function (PDF). We apply a first-order approximation (removing a constant level) to the molecular clouds of Auriga, Maddalena, Carina and NGC3603. In perfect agreement with the simulations, we find that the PDFs become broader, the peak shifts to lower column densities, and the power-law tail of the PDF flattens after correction. All PDFs have a lognormal part for low column densities with a peak at Av~2, a deviation point (DP) from the lognormal at Av(DP)~4-5, and a power-law tail for higher column densities. Assuming a density distribution rho~r^-alpha, the slopes of the power-law tails correspond to alpha(PDF)=1.8, 1.75, and 2.5 for Auriga, Carina, and NGC3603 (alpha~1.5-2 is consistent gravitational collapse). We find that low-mass and high-mass SF clouds display differences in the overall column density structure. Massive clouds assemble more gas in smaller cloud volumes than low-mass SF ones. However, for both cloud types, the transition of the PDF from lognormal shape into power-law tail is found at the same column density (at Av~4-5 mag). Low-mass and high-mass SF clouds then have the same low column density distribution, most likely dominated by supersonic turbulence. At higher column densities, collapse and external pressure can form the power-law tail. The relative importance of the two processes can vary between clouds and thus lead to the observed differences in PDF and column density structure.

研究の動機と目的

• 視線方向（LOS）混入が分子雲の観測柱密度PDFに与える影響を定量化すること。
• LOS混入がログノーマルピーク、歪度の変化点（DP）、パワーロー尾部傾きといったPDFの主要特徴にどのように歪められるかを評価すること。
• 補正済みPDFを径方向柱密度プロファイルとシミュレーションと比較し、雲構造を駆動する物理的プロセスを推定すること。
• 低質量および高質量星形成領域における柱密度構造の違いが、本質的物理的要因に起因するのか、観測的アーティファクトに起因するのかを特定すること。
• 外部圧縮（例：イオン化フロント）が高質量領域の高密度ガスに与える役割を評価すること。

提案手法

• 視線方向混入の除去を模擬するため、ハーシェル柱密度マップに定数の背景レベルを差し引く一次補正を適用した。
• 既知のログノーマルおよびパワーロー成分を有するシミュレーテッドPDFを用いて、定数の混入レベルが与える影響をモデル化した。
• 異なる混入レベル（ΔA_V）の下で、PDFの幅（σ_η）およびパワーロー尾部傾き（s）の変化を分析した。
• 補正済みPDFを径方向柱密度プロファイル（N ∝ r^γ）と比較し、密度プロファイル指数 α = 1 − γ を推定した。
• ビームの畳み込みがPDF形状に与える影響を評価し、高柱密度尾部には最小限の影響があることを確認した。
• 累積質量関数を算出し、低質量および高質量星形成領域間でその傾きを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 視線方向混入は、分子雲の柱密度PDFの形状にどのように影響するか？
• RQ2 視線方向混入を補正した後、PDFにおけるログノーマルからパワーローへの遷移は、どの視覚的減光（A_V）で発生するか？
• RQ3 低質量および高質量星形成領域は、本質的物理的差異によるものか、観測的バイアスによるものか、柱密度構造に差を示すか？
• RQ4 パワーロー尾部のPDFに寄与する物理的プロセス（例：乱流、重力、外部圧縮）は何か？
• RQ5 異なる雲タイプにおいて、径方向柱密度プロファイルとPDF傾きは、密度構造指数（α）をどのように比較するか？

主な発見

• 視線方向混入を補正した後、柱密度PDFのピークはA_V ~2 magにシフトし、すべての雲でログノーマル形状からの歪度の変化点（DP）はA_V ~4–5 magに現れる。
• PDFのパワーロー尾部の平均傾きは s = −2.6 ± 0.5 であり、密度プロファイル指数 α_pdf = 1.9 ± 0.3 に対応し、重力収縮と整合的である。
• 視線方向混入によりPDFは広がり、ピークがずれ、尾部が平坦化するが、補正により真のPDF形状が回復する。
• 高質量星形成領域（NGC3603、カーニャ）の平均柱密度（3.0 × 10^21 cm⁻²）は、低質量領域（1.8 × 10^21 cm⁻²）よりも高いが、サンプルサイズが小さいため統計的有意差はない。
• 径方向柱密度プロファイルでは、アウリガおよびカーニャでα ≈ 1.5–1.8（自由落下収縮と整合的）であるが、NGC3603ではα = 2.5であり、イオン化フロントによる追加の圧縮が示唆される。
• 累積質量関数は、高質量領域で高柱密度域においてより急勾配を示し、より小さな体積に高密度ガスが集中していることを示しており、シミュレーションにおける圧縮駆動と整合的である。