[论文解读] Diffuse interstellar medium and the formation of molecular clouds

P. Hennebelle, Mordecai‐Mark Mac Low+1 more|ArXiv.org|Nov 15, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 6

一句话总结

本文提出，分子云（MCs）的形成是由大尺度湍流和自引力共同驱动的引力坍缩所致，而非仅由湍流压缩引起。文章认为分子云并未处于virial平衡状态，而是持续收缩，恒星形成效率由磁场支持、湍流和早期恒星反馈调节——导致一种准virial平衡，其中 |E_grav| ≈ 2E_kin。

ABSTRACT

(Abridged) The formation of molecular clouds (MCs) from the diffuse interstellar gas appears to be a necessary step for star formation, as young stars invariably occur within them. However, the mechanisms controlling the formation of MCs remain controversial. In this contribution, we focus on their formation in compressive flows driven by interstellar turbulence and large-scale gravitational instability. Turbulent compression driven by supernovae appears insufficient to explain the bulk of cloud and star formation. Rather, gravity must be important at all scales, driving the compressive flows that form both clouds and cores. Cooling and thermal instability allow the formation of dense gas out of moderate, transonic compressions in the warm diffuse gas, and drive turbulence into the dense clouds. MCs may be produced by an overshoot beyond the thermal-pressure equilibrium between the cold and warm phases of atomic gas, caused by some combination of the ram pressure of compression and the self-gravity of the compressed gas. In this case, properties of the clouds such as their mass, mass-to-magnetic flux ratio, and total kinetic and gravitational energies are in general time-variable quantities. MCs may never enter a quasi-equilibrium or virial equilibrium state but rather continuously collapse to stars.

研究动机与目标

• 解决关于分子云从稀薄星际介质中形成机制的争议。
• 评估引力与湍流在将稀薄气体压缩成致密、恒星形成云中的作用。
• 研究分子云是否处于virial平衡状态，或是否处于持续的引力收缩之中。
• 考察磁场、湍流和恒星反馈如何调节恒星形成效率（SFE）。
• 调和观测到的SFE约束与云演化理论模型之间的矛盾。

提出的方法

• 使用包含真实恒星、气体和暗物质晕的星系盘数值模拟，以模拟引力不稳定性与恒星形成。
• 采用吸积粒子（sink particles）追踪气体坍缩并测量恒星形成 timescale。
• 应用Toomre参数 Q_sg,min 来量化初始盘的不稳定性，并将其与坍缩 timescale τ_sf 相关联。
• 通过指数拟合分析恒星形成率对初始不稳定的依赖关系：τ_sf ∝ exp(Q_sg,min / 0.24)。
• 模拟超新星和 H ii 区域引起的湍流压缩，比较其触发坍缩与抑制坍缩的能力。
• 通过评估云是否为亚临界或超临界来评估磁场支持作用，及其对坍缩和SFE的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么驱动力使分子云从稀薄星际介质中形成——湍流还是引力？
• RQ2 分子云能否处于virial平衡状态，还是始终处于持续的引力收缩之中？
• RQ3 磁场、湍流与恒星反馈之间的相互作用如何调节恒星形成效率？
• RQ4 超新星和 H ii 区域在多大程度上触发恒星形成，又在多大程度上通过超音速湍流抑制恒星形成？
• RQ5 尽管气体密度很高，为何观测到的分子云中恒星形成效率如此之低？

主要发现

• 恒星形成 timescale τ_sf 与初始盘不稳定性呈指数依赖关系，τ_sf ≈ 34.7 Myr × exp(Q_sg,min / 0.24)，表明对引力不稳定性具有强烈敏感性。
• 气体与恒星盘的联合引力不稳定性在大尺度上驱动压缩流动，使Schmidt定律成为盘演化自然结果。
• 由超新星或 H ii 区域驱动的超音速湍流抑制坍缩而非增强其发生，诱导的恒星形成率仅达到所需值的约10%。
• 分子云可能永远无法达到virial平衡，而是表现出一种准virial平衡，其中 |E_grav| ≈ 2E_kin，这表明持续收缩正在发生。
• 恒星形成效率由早期恒星反馈和磁场支持调节，亚临界区域保持稳定，而超临界区域则发生坍缩。
• 对年龄超过数百万年的星团中云团消散的观测证据支持反馈驱散云团而非维持平衡的观点。