[论文解读] Comparing the statistics of interstellar turbulence in simulations and observations: Solenoidal versus compressive turbulence forcing

Christoph Federrath, Julia Román-Duval+3 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|May 7, 2009

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 160被引用 23

一句话总结

本研究比较了星际介质流体动力学模拟中涡旋型与压缩型湍流激励的影响，发现压缩型激励产生的结构密度显著更高，密度概率密度函数（PDF）的标准差为涡旋型激励的三倍。与观测结果对比显示，激励混合模式具有区域依赖性，其中壳状结构中以压缩型模式为主导，并表明声速尺度是原恒星核形成的关键尺度，原因在于原恒星核内部速度弥散为亚声速。

ABSTRACT

We study two limiting cases of turbulence forcing in numerical experiments: solenoidal (divergence-free) forcing, and compressive (curl-free) forcing, and compare our results to observations reported in the literature. We solve the equations of hydrodynamics on grids with up to 1024^3 cells for purely solenoidal and purely compressive forcing. Eleven lower-resolution models with mixtures of both forcings are also analysed. We find velocity dispersion--size relations consistent with observations and independent numerical simulations, irrespective of the type of forcing. However, compressive forcing yields stronger turbulent compression at the same RMS Mach number than solenoidal forcing, resulting in a three times larger standard deviation of volumetric and column density probability distributions (PDFs). We conclude that the strong dependence of the density PDF on the type of forcing must be taken into account in any theory using the PDF to predict properties of star formation. We supply a quantitative description of this dependence. We find that different observed regions show evidence of different mixtures of compressive and solenoidal forcing, with more compressive forcing occurring primarily in swept-up shells.

研究动机与目标

• 确定不同的湍流激励机制——涡旋型（无散度）与压缩型（无旋）——如何影响星际湍流的统计特性。
• 将模拟结果与猎户座星云、御夫座宽带星云、G216-2.5及玫瑰星云等分子云的观测数据进行比较。
• 量化激励类型对密度概率密度函数（PDF）、速度弥散-尺度关系以及分形结构的影响。
• 评估声速尺度在通过速度弥散转变调节原恒星核形成中的作用。
• 为将激励类型依赖性整合进恒星形成模型提供定量框架。

提出的方法

• 使用最高达1024³个网格单元的超声速等温流体动力学数值模拟，分别采用纯涡旋型与纯压缩型激励。
• 通过傅里叶谱与Δ-方差分析，表征不同尺度下的速度与密度涨落。
• 将模拟得到的速度弥散-尺度关系与密度PDF与猎户座星云、御夫座宽带星云、G216-2.5及玫瑰星云的观测数据进行对比。
• 利用主成分分析，将模拟的湍流结构与观测的柱密度图进行比较。
• 通过积分速度功率谱定义声速尺度，并评估其在核形成中的作用。
• 量化局部马赫数-密度相关性，以评估致密区域中湍流行为。

Figure 1: Ratio of compressive power to the total power in the turbulence force field. The solid lines labelled with 1D, 2D, and 3D show the analytical expectation for this ratio, equation ( 9 ), as a function of the forcing parameter $\zeta$ for one-, two- and three-dimensional forcing, respectivel

实验结果

研究问题

• RQ1 涡旋型与压缩型湍流激励在密度PDF的形状与宽度上存在何种差异？
• RQ2 观测到的速度弥散-尺度关系与Δ-方差谱在多大程度上与不同激励类型的模拟结果一致？
• RQ3 在观测到的分子云中，是否存在涡旋型与压缩型激励混合的证据？压缩型激励在何处占主导地位？
• RQ4 声速尺度如何影响致密气体中从超声速到亚声速速度弥散的转变？这对核形成意味着什么？
• RQ5 为何原恒星核表现出亚声速内部速度弥散？这是否能通过声速尺度的湍流行为加以解释？

主要发现

• 在相同RMS马赫数下，压缩型激励产生的密度PDF标准差约为涡旋型激励的三倍。
• 无论激励类型如何，模拟得到的速度弥散-尺度关系与观测结果及独立数值研究一致。
• 猎户座星云的柱密度PDF表现出非高斯的偏度与峰度，与压缩型激励一致，可能由大质量恒星的电离前缘驱动。
• 御夫座宽带星云的Δ-方差分析表明存在大尺度压缩型激励，尽管中等尺度的质心速度增量与涡旋型激励一致。
• G216-2.5与玫瑰星云大部分区域的主成分分析支持涡旋型激励，但电离壳层内部显示出明显的压缩型特征。
• 声速尺度标志着密度涨落谱的转变，并与观测到的原恒星核亚声速速度弥散相关，提示核形成发生在该尺度附近。

Figure 2: Maps showing density ( top ), vorticity ( middle ) and divergence ( bottom ) in projection along the $z$ -axis at time $t=2\,T$ as an example for the regime of statistically fully developed, compressible turbulence for solenoidal forcing ( left ) and compressive forcing ( right ). Top pane