[论文解读] Formation and evolution of interstellar filaments; Hints from velocity dispersion measurements

D. Arzoumanian, P. André+2 more|ORCA Online Research @Cardiff (Cardiff University)|Mar 12, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 65被引用 65

一句话总结

本文提出，热超临界星际纤维丝在引力收缩和周围气体吸积过程中，通过使其速度弥散度与面密度的平方根成比例，维持恒定的内半径（约0.1 pc）。对13 CO、C18O和N2H+谱线的观测显示，超临界纤维丝的速度弥散度与σ_tot ∝ Σ₀⁰.⁵成比例，其驱动力来自引力能转化而非湍流，支持一种吸积过程在收缩和核心形成期间维持维里平衡的场景。

ABSTRACT

We investigate the gas velocity dispersions of a sample of filaments recently detected as part of the Herschel Gould Belt Survey in the IC5146, Aquila, and Polaris interstellar clouds. To measure these velocity dispersions, we use 13CO, C18O, and N2H+ line observations obtained with the IRAM 30m telescope. Correlating our velocity dispersion measurements with the filament column densities derived from Herschel data, we show that interstellar filaments can be divided into two regimes: thermally subcritical filaments, which have transonic velocity dispersions (c_s ~< σ_tot < 2 c_s) independent of column density, and are gravitationally unbound; and thermally supercritical filaments, which have higher velocity dispersions scaling roughly as the square root of column density (σ_tot ~ Σ^0.5), and are self-gravitating. The higher velocity dispersions of supercritical filaments may not directly arise from supersonic interstellar turbulence but may be driven by gravitational contraction/accretion. Based on our observational results, we propose an evolutionary scenario whereby supercritical filaments undergo gravitational contraction and increase in mass per unit length through accretion of background material while remaining in rough virial balance. We further suggest that this accretion process allows supercritical filaments to keep their approximately constant inner widths (~ 0.1 pc) while contracting.

研究动机与目标

• 理解分子云中星际纤维丝的动力学演化。
• 确定纤维丝中的速度弥散度是否源于湍流或引力收缩。
• 检验超临界纤维丝在维持维里平衡的同时通过吸积演化的假设。
• 将单位长度的纤维丝质量与速度弥散度关联到恒星形成的起始条件。
• 评估引力能在维持纤维丝中非热运动中的作用。

提出的方法

• 利用IRAM 30米望远镜获取的13 CO、C18O和N2H+谱线发射测量气体速度弥散度。
• 将速度弥散度与赫歇尔望远镜推导的面密度相关联，以将纤维丝分类为热亚临界或超临界。
• 使用有效让斯直径 D_J,eff = 2σ_tot² / (GΣ₀) 评估引力稳定性和收缩性。
• 对亚临界和超临界纤维丝子样本拟合速度弥散度与面密度的幂律关系。
• 将观测到的速度弥散度标度与引力收缩和吸积模型的理论预期进行比较。
• 评估结果与吸积驱动湍流和纤维丝坍缩数值模拟的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际纤维丝中的速度弥散度是否随面密度变化？如果是，其变化关系如何？
• RQ2 超临界纤维丝中非热速度弥散度的来源是湍流还是引力收缩？
• RQ3 超临界纤维丝在收缩和吸积质量的同时，能否维持恒定的内半径（约0.1 pc）？
• RQ4 是否存在引力能转化为动能的证据，存在于演化中的纤维丝中？
• RQ5 吸积过程如何影响纤维丝的维里平衡和碎片化潜力？

主要发现

• 热亚临界纤维丝表现出与面密度无关的声速级速度弥散度（σ_tot ≈ 1.5 cs），表明其引力上处于非束缚状态。
• 热超临界纤维丝的速度弥散度与σ_tot ∝ Σ₀⁰.⁵成比例，表明其对单位长度质量增加的动态响应。
• 有效让斯直径 D_J,eff 在超临界纤维丝中保持在约0.14 ± 0.07 pc的恒定值，支持收缩过程中持续的维里平衡。
• 观测到的速度弥散度标度与纯湍流起源不一致，反而指向通过吸积驱动的收缩实现引力能转化。
• 超临界纤维丝可能通过吸积背景物质在收缩过程中维持恒定宽度，从而保持稳定的内结构。
• 结果支持一种场景：吸积驱动的湍流和引力能转化共同维持非热运动，使纤维丝中核心形成和恒星形成成为可能。