[论文解读] Compressible MHD Turbulence: Implications for Molecular Cloud and Star Formation

Enrique Vázquez-Semadeni, Eve C. Ostriker+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 11

一句话总结

本论文通过数值模拟研究了分子云中可压缩磁流体动力学（MHD）湍流，发现只有在外部强迫或强磁场作用下，湍流才会抑制引力坍缩。研究显示，密度和速度结构遵循观测到的标度律，但不存在普遍的密度-尺寸标度关系，湍流动力学强烈依赖于状态方程指数γ。

ABSTRACT

We review recent results from numerical simulations and related models of MHD turbulence in the interstellar medium (ISM) and in molecular clouds. We discuss the implications of turbulence for the processes of cloud formation and evolution, and the determination of clouds' physical properties. Numerical simulations of the turbulent ISM to date have included magnetic fields, self-gravity, parameterized heating and cooling, modeled star formation and other turbulent inputs. The structures which form reproduce well observed velocity-size scaling properties, while predicting the non-existence of a general density-size scaling law. Criteria for the formation of gravitationally-bound structures by turbulent compression are summarized. For flows with equations of state $P\\propto \ ho^\\gamma$, the statistics of the density field depend on the exponent $\\gamma$. Numerical simulations of both forced and decaying MHD compressible turbulence have shown that the decay rate is comparable to the non-magnetic case. For virialized clouds, the turbulent decay time is shorter than the gravitational free-fall time, so wholesale cloud collapse is only prevented by ongoing turbulent inputs and/or a strong mean magnetic field. Finally, perspectives for future work in this field are briefly discussed.

研究动机与目标

• 理解可压缩MHD湍流如何影响分子云的形成与演化。
• 确定湍流在星际介质中调节引力坍缩与恒星形成的作用。
• 研究可压缩流中湍流统计特性对状态方程指数γ的依赖性。
• 评估磁场与湍流能量输入对云体维里平衡的影响。
• 评估观测到的速度-尺寸标度律在模拟的湍流星际介质结构中的有效性。

提出的方法

• 包含自引力、磁场、加热与冷却过程的可压缩MHD湍流数值模拟。
• 实施强迫湍流与衰减湍流两种情景，以研究能量耗散与衰减速率。
• 采用状态方程P ∝ ρ^γ以模拟星际介质中不同的热力学状态。
• 引入参数化的恒星形成与湍流驱动，以模拟真实的星际介质条件。
• 分析模拟云中密度、速度与磁场结构的统计特性。
• 将模拟的速度-尺寸标度与分子云的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 可压缩MHD湍流如何影响分子云的形成与稳定性？
• RQ2 状态方程指数γ在塑造湍流中密度场统计特性方面起什么作用？
• RQ3 如观测所建议，湍流分子云中是否存在普遍的密度-尺寸标度律？
• RQ4 在维里平衡云中，湍流衰减时间与自由落体时间相比如何？
• RQ5 磁场与持续的湍流驱动在多大程度上可防止引力坍缩？

主要发现

• 可压缩MHD流中湍流衰减速率与非磁性情况相当，表明磁场并未显著改变能量耗散速率。
• 除非持续输入湍流能量或存在强平均磁场，否则维里平衡云无法发生整体坍缩。
• 模拟的速度-尺寸标度与分子云的观测特性一致，支持此类标度的湍流驱动起源。
• 模拟未预测出普遍的密度-尺寸标度律，与部分观测解释相矛盾。
• 可压缩MHD湍流中密度场的统计特性强烈依赖于状态方程中的绝热指数γ。
• 可通过湍流压缩形成引力束缚结构，本文总结了此类形成的判据。