[论文解读] Galactic Cold Cores. VIII. Filament formation and evolution: Filament properties in context with evolutionary models

A. Rivera-Ingraham, I. Ristorcelli+16 more|CLOK (University of Central Lancashire)|Feb 24, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 57被引用 9

一句话总结

本研究利用赫歇尔望远镜数据分析银河系冷分子云中纤维状结构的性质，建模其在引力与环境影响下的演化过程。研究发现，仅在高密度环境（$A_V \gtrsim 3$ mag）中自持引力的纤维状结构可通过吸积在约1 Myr内达到超临界状态并形成恒星，且宽度变化极小，支持动力学云坍缩模型，而非静态平衡态模型。

ABSTRACT

Filaments are key for star formation models. As part of the study carried out by the Herschel GCC Programme, here we study the filament properties presented in GCC.VII in context with theoretical models of filament formation and evolution. A conservative sample of filaments at a distance D<500pc was extracted with the Getfilaments algorithm. Their physical structure was quantified according to two main components: the central (Gaussian) region (core component), and the power-law like region dominating the filament column density profile at larger radii (wing component). The properties and behaviour of these components relative to the total linear mass density of the filament and its environmental column density were compared with theoretical models describing the evolution of filaments under gravity-dominated conditions. The feasibility of a transition to supercritical state by accretion is dependent on the combined effect of filament intrinsic properties and environmental conditions. Reasonably self-gravitating (high Mline-core) filaments in dense environments (av\sim3mag) can become supercritical in timescales of t\sim1Myr by accreting mass at constant or decreasing width. The trend of increasing Mline-tot (Mline-core and Mline-wing), and ridge Av with background also indicates that the precursors of star-forming filaments evolve coevally with their environment. The simultaneous increase of environment and filament Av explains the association between dense environments and high Mline-core values, and argues against filaments remaining in constant single-pressure equilibrium states. The simultaneous growth of filament and background in locations with efficient mass assembly, predicted in numerical models of collapsing clouds, presents a suitable scenario for the fulfillment of the combined filament mass-environment criterium that is in quantitative agreement with Herschel observations.

研究动机与目标

• 理解纤维状结构通过吸积转变为超临界、形成恒星的结构的条件。
• 评估局部环境（如 $A_V$）和纤维状结构内在属性（如 $M_{\text{line,core}}$）在纤维状结构演化中的作用。
• 检验观测到的纤维状结构属性是否与引力主导的纤维状结构演化理论模型一致。
• 确定纤维状结构是否保持在单一压强平衡状态，或与其环境共同演化。
• 评估从亚临界到超临界状态的转变在与前恒星核寿命相当的时间尺度内通过质量吸积实现的可行性。

提出的方法

• 使用 getfilaments 算法从 $D < 500$ pc 范围内提取一个保守的纤维状结构样本。
• 将纤维状结构的面密度分布剖分为中心高斯（核心）成分与幂律（翼部）成分。
• 量化总线性质量密度（$M_{\text{line,tot}}$）、核心质量密度（$M_{\text{line,core}}$）以及脊部 $A_V$ 作为环境背景面密度的函数。
• 将观测到的 $M_{\text{line,tot}}$、$M_{\text{line,core}}$ 和 $A_V$ 的趋势与引力主导的纤维状结构演化理论模型的预测进行比较。
• 评估观测到的纤维状结构演化与静态平衡（如压强受限）和动态坍缩模型的一致性。
• 评估在不同吸积与环境条件下，从亚临界到超临界状态转变的时间尺度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，纤维状结构可通过吸积实现从亚临界到超临界质量密度的转变？
• RQ2 纤维状结构的物理属性（如 $M_{\text{line,core}}$、$A_V$）如何与其周围环境共同演化？
• RQ3 观测到的高 $M_{\text{line,core}}$ 与高密度环境之间的关联是否与静态平衡模型一致，还是更符合动态演化模型？
• RQ4 在引力主导条件下，纤维状结构质量增长与超临界化的预期演化时间尺度是多少？
• RQ5 观测到的纤维状结构宽度（FWHM ~ 0.13 pc）与理论模型预测的纤维状结构收缩或吸积过程相比如何？

主要发现

• 在高 $M_{\text{line,core}}$ 且位于高密度环境（$A_V \approx 3$ mag）中的纤维状结构，可在 $t \sim 1$ Myr 内通过吸积达到超临界状态，且宽度保持恒定或减小。
• 纤维状结构 $M_{\text{line,tot}}$ 与环境 $A_V$ 同时增加，表明两者共同演化，与假设静态单压强平衡的模型相矛盾。
• 观测到的 $M_{\text{line,core}}$ 和 $A_V$ 随背景面密度增加的趋势，支持动力学云坍缩模型，而非静态压强受限模型。
• 在从亚临界到超临界转变过程中，纤维状结构的平均宽度几乎保持不变（$<\text{FWHM}> \sim 0.13$ pc），与引力主导演化模拟结果一致。
• 低质量纤维状结构在稀疏环境中随时间宽度逐渐增加，而自持引力的纤维状结构在高密度区域中吸积过程中宽度保持或略有减小。
• 观测到的纤维状结构属性在定量上与经历汇聚流入和质量聚集的坍缩云团数值模型的预测一致。