[论文解读] Understanding star formation in molecular clouds III. Probability distribution functions of molecular lines in Cygnus X

N. Schneider, S. Bontemps+12 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Sep 3, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 87被引用 26

一句话总结

本研究从分子线数据（12CO、13CO、C18O、CS、N2H+）推导出天鹅座X北区H₂柱密度的概率密度函数（N-PDFs），并与赫歇尔望远镜的尘埃柱密度图进行比较。结果表明，CO同位素在低Aᵥ时呈现对数正态分布，但受光学厚度和耗竭影响出现偏离；而CS和N2H+则追踪与自由落体坍缩一致的高密度幂律尾部，其校准后的[CS]/[H₂]丰度为10⁻⁹，幂律斜率接近-1.6，支持引力主导的结构形成。

ABSTRACT

Column density (N) PDFs serve as a powerful tool to characterize the physical processes that influence the structure of molecular clouds. Star-forming clouds can best be characterized by lognormal PDFs for the lower N range and a power-law tail for higher N, commonly attributed to turbulence and self-gravity and/or pressure, respectively. We report here on PDFs obtained from observations of 12CO, 13CO, C18O, CS, and N2H+ in the Cygnus X North region and compare to a PDF derived from dust observations with the Herschel satellite. The PDF of 12CO is lognormal for Av~1-30, but is cut for higher Av due to optical depth effects. The PDFs of C18O and 13CO are mostly lognormal up for Av~1-15, followed by excess up to Av~40. Above that value, all CO PDFs drop, most likely due to depletion. The high density tracers CS and N2H+ exhibit only a power law distribution between Av~15 and 400, respectively. The PDF from dust is lognormal for Av~3-15 and has a power-law tail up to Av~500. Absolute values for the molecular line column densities are, however, rather uncertain due to abundance and excitation temperature variations. Taken the dust PDF face value, we 'calibrate' the molecular line PDF of CS to the one of the dust and determined an abundance [CS]/[H2] of 10^-9. The slopes of the power-law tails of the CS, N2H+, and dust PDFs are consistent with free-fall collapse of filaments and clumps. A quasi static configuration of filaments and clumps can possibly also account for the observed N-PDFs, as long as they have a sufficiently condensed density structure and external ram pressure by gas accretion is provided. The somehow flatter slopes of N2H+ and CS can reflect an abundance change and/or subthermal excitation at low column densities.

研究动机与目标

• 通过分子线辐射推导出的柱密度概率密度函数（N-PDFs），表征天鹅座X北区分子云的柱密度结构。
• 将分子线得到的N-PDF与赫歇尔望远镜尘埃柱密度图的N-PDF进行比较，评估其一致性与局限性。
• 研究光学厚度、丰度变化和激发温度对基于分子线的N-PDF的影响。
• 通过尘埃观测校准分子线N-PDF，以约束分子丰度并评估物理条件。

提出的方法

• 从天鹅座X北区12CO、13CO、C18O、CS和N2H+线的积分亮度温度图推导N-PDFs，假设处于局部热动平衡（LTE）且激发温度恒定（10 K），将亮度温度转换为H₂柱密度。
• 以赫歇尔望远镜36''分辨率的尘埃柱密度图（Aᵥ ~ 0.1–1000）作为校准和比较的参考。
• 通过将分子线PDF分布整体平移以匹配尘埃N-PDF，实现基于尘埃的校准，估算[CS]/[H₂]丰度。
• 通过建模高密度幂律尾部的斜率，检验其与自由落体坍缩或在动压下的准静态平衡的一致性。
• 通过分析高Aᵥ区域CO同位素在偏离对数正态行为时的偏差，考虑光学厚度效应的影响。
• 通过参数化位移分析丰度和激发温度变化对N-PDF形状的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在天鹅座X北区，基于分子线的N-PDF与基于尘埃柱密度图的N-PDF有何异同？
• RQ2 在高柱密度区域，CO同位素PDF出现偏离对数正态行为的原因是什么？
• RQ3 光学厚度、耗竭以及激发温度变化在多大程度上影响基于分子线的N-PDF的可靠性？
• RQ4 当分子线PDF与尘埃N-PDF对齐时，校准后的[CS]/[H₂]丰度是多少？
• RQ5 CS和N2H+ PDF中观测到的幂律尾部是否与致密丝状结构中的自由落体坍缩或准静态平衡一致？

主要发现

• 12CO的N-PDF在Aᵥ ~ 1–30范围内呈对数正态分布，但在更高Aᵥ时因光学厚度效应出现截断，表明发射趋于饱和。
• 13CO和C18O的N-PDF在Aᵥ ~ 1–15范围内呈对数正态分布，随后在Aᵥ ~ 15–40区间出现过量，其中C18O显示出与高密度气体一致的幂律尾部。
• 所有CO同位素PDF在Aᵥ > ~40后均出现下降，可能由于CO在尘埃颗粒上冻结，表明冻结开始。
• CS和N2H+的N-PDF仅在Aᵥ ~ 15至~400范围内呈现幂律尾部，表明其追踪最致密、最具自引力的区域。
• 当与尘埃N-PDF对齐时，校准后的[CS]/[H₂]丰度为10⁻⁹，已考虑激发和丰度不确定性。
• 高柱密度尾部的幂律斜率分别为：尘埃s = -2.3，CS s = -1.6，N2H+ s = -1.4，与自由落体坍缩或在动压下的准静态平衡一致。