[论文解读] Formation of Proto-Globular Cluster Clouds by Thermal Instability

Hyesung Kang, George Lake+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2000

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文通过在原星系晕中利用一维球对称流体动力学模拟，研究了原球状星团云（PGCC）通过热不稳定性形成的机制，模拟包含自重力和辐射冷却，温度最低可达10⁴ K。结果表明，仅在10⁵.⁶–10⁸ M☉质量范围内且扰动程度略为非线性（δ ≳ 1）的云团会经历超音速坍缩，压缩比高达10².⁵–10⁶，从而实现引力束缚，使Jeans质量低至10⁵.⁵ M☉，最终形成致密的核-晕结构PGCC。

ABSTRACT

Many models of globular cluster formation assume the presence of cold dense clouds in early universe. Here we re-examine the Fall & Rees (1985) model for formation of proto-globular cluster clouds (PGCCs) via thermal instabilities in a protogalactic halo. We first argue, based on the previous study by others, that under the protogalactic environments only nonlinear density inhomogeneities can condense into PGCCs. We then carry out numerical simulations of the collapse of overdense clouds in one-dimensional spherical geometry, including self-gravity and radiative cooling down to T=10^4 K. Since imprinting of Jeans mass at 10^4 K is essential to this model, here we focus on the cases where external UV background radiation prevents the formation of H2 molecules and so prevent the cloud from cooling below 10^4 K. The quantitative results from these simulations can be summarized as follows: 1) Perturbations smaller than M_min ~ (10^{5.6} M_sun) (n_h/0.05 cm3)^{-2} cool isobarically, while perturbations larger than M_max ~ (10^8 M_sun) (n_h/0.05 cm3)^{-2} cool isochorically. On the other hand, intermediate size perturbations (M_min< M_pgcc < M_max) are compressed supersonically. 2) For supersonically collapsing clouds, the density compression factor after they cool to T_c=10^4 K range 10^{2.5}-10^6. 3) For supersonically collapsing clouds the Jeans mass can be reduced to as small as 10^{5.5} M_sun (n_h/0.05 cm3)^{-1/2} at the maximum compression. 4) The density profile of simulated PGCCs can be approximated by a constant core with a halo of rho ~ r^{-2} rather than a singular isothermal sphere.

研究动机与目标

• 研究原球状星团云（PGCC）通过原星系晕中热不稳定性形成的机制。
• 确定热不稳定性云团在何种质量和尺度下可坍缩形成引力束缚的PGCC。
• 量化在真实冷却条件下，超音速坍缩云团中的压缩因子与Jeans质量。
• 评估几何形态与非线性程度在抑制浮力驱动不稳定性、稳定PGCC形成中的作用。

提出的方法

• 采用包含自重力与辐射冷却（最低至10⁴ K）的一维球对称流体动力学模拟。
• 在原星系晕中建模云团，外部紫外背景辐射阻止H₂在10⁴ K以下冷却。
• 使用冷却长度lcool作为关键尺度，定义凝聚云团的范围（0.2lcool ≤ Rc ≤ lcool）。
• 计算等压与超音速坍缩两种情形下的压缩因子与Jeans质量。
• 通过分析密度分布，判断PGCC是否呈现单一同温球模型或具有r⁻²晕的恒定核心结构。
• 将结果与先前的一维平面平行及二维模拟对比，验证球对称模型的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 原星系晕中何种质量和尺度的密度扰动可通过热不稳定性形成引力束缚的PGCC？
• RQ2 在热不稳定的云团中，等压与超音速坍缩的压缩因子与Jeans质量有何差异？
• RQ3 几何形态（球对称与平面平行）在决定坍缩云团最终密度对比度与稳定性方面起何作用？
• RQ4 非线性（δ ≳ 1）扰动是否能克服浮力驱动不稳定性，形成稳定的PGCC？
• RQ5 模拟得到的PGCC密度分布与标准模型（如单一同温球）相比有何异同？

主要发现

• 质量M < M_min ≈ 10⁵.⁶ M☉（n_h/0.05 cm⁻³）⁻²的扰动经历等压冷却，保持引力非束缚状态。
• 质量M > M_max ≈ 10⁸ M☉（n_h/0.05 cm⁻³）⁻²的扰动经历等容冷却，因缺乏热不稳定性而无法形成明显的PGCC。
• 中等质量云团（M_min < M_PGCC < M_max）经历超音速坍缩，密度压缩比达10².⁵至10⁶，超过等压压缩。
• 在最大压缩条件下，超音速坍缩云团中的Jeans质量可降低至10⁵.⁵ M☉（n_h/0.05 cm⁻³）⁻¹/²，实现引力束缚。
• 模拟得到的PGCC呈现恒定核心密度分布，外晕密度随ρ ∝ r⁻²变化，偏离单一同温球模型。
• 仅当密度非均匀性达到临界非线性程度（δ ≳ 1）时，云团才能凝聚为稳定PGCC，线性扰动会被浮力驱动不稳定性破坏。