[论文解读] Magnetic processes in a collapsing dense core. II Fragmentation. Is there a fragmentation crisis ?

P. Hennebelle, Romain Teyssier|ArXiv.org|Sep 18, 2007

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 22被引用 108

一句话总结

本研究通过高分辨率磁流体动力学（MHD）模拟，探究了在坍缩致密核中磁场对碎片化的抑制作用。研究发现，弱初始扰动可被由较差旋转引发的环向磁场增长所抑制，使盘结构稳定至 μ = 20；然而，大振幅扰动即使在高 μ 条件下仍允许碎片化，提示可能存在其他形成双星的途径，如二次坍缩。

ABSTRACT

Abridged. A large fraction of stars are found in binary systems. It is therefore important for our understanding of the star formation process, to investigate the fragmentation of dense molecular cores. We study the influence of the magnetic field, ideally coupled to the gas, on the fragmentation in multiple systems of collapsing cores. We present high resolution numerical simulations performed with the RAMSES MHD code starting with a uniform sphere in solid body rotation and a uniform magnetic field parallel to the rotation axis. We pay particular attention to the strength of the magnetic field and interpret the results using the analysis presented in a companion paper. The results depend much on the amplitude, $A$, of the perturbations seeded initially. For a low amplitude, $A=0.1$, we find that for values of the mass-to-flux over critical mass-to-flux ratio, $μ$, as high as $μ= 20$, the centrifugally supported disk which fragments in the hydrodynamical case, is stabilized and remains axisymmetric. Detailed investigations reveals that this is due to the rapid growth of the toroidal magnetic field induced by the differential motions within the disk. For values of $μ$ smaller $\simeq 5$, corresponding to larger magnetic intensities, there is no centrifugally supported disk because of magnetic braking. When the amplitude of the perturbation is equal to $A=0.5$, each initial peak develops independently and the core fragments for a large range of $μ$. Only for values of $μ$ close to 1 is the magnetic field able to prevent the fragmentation. Since a large fraction of stars are binaries, the results of low magnetic intensities preventing the fragmentation in case of weak perturbations, is problematic. We discuss three possible mechanisms...

研究动机与目标

• 确定磁场如何影响坍缩致密核中的碎片化，特别是与质量-磁通量比（μ）及初始扰动振幅的关系。
• 解决“碎片化危机”问题——为何在标准模型中磁场抑制碎片化，但观测中双星却很常见。
• 识别在强磁场条件下仍能实现双星形成的物理机制，此时标准盘碎片化机制失效。
• 评估环向磁场增长、磁制动以及替代碎片化路径（如二次坍缩）的作用。

提出的方法

• 使用 RAMSES 代码进行高分辨率 MHD 模拟，模拟对象为具有均匀、非湍流、旋转的核，其内部存在沿自转轴方向的均匀磁场。
• 通过改变质量-磁通量比 μ（1 至 1000）和初始扰动振幅 A（0.1 或 0.5），分离分析其对碎片化的影响。
• 应用合作者论文（Hennebelle & Fromang 2007）中的分析框架，解释吸积与喷流动力学及磁场演化。
• 追踪盘中因较差旋转而增长的环向磁场分量，通过增强的阿尔芬速度评估其稳定作用。
• 分析低 μ（强磁场）条件下的磁制动效率及盘形成过程，此时坍缩受磁力线主导，角动量被有效移除。
• 评估在强磁场条件下，二次坍缩阶段的碎片化作为替代机制的可行性，尤其针对高 μ 核。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实 μ 值下，磁场是否能抑制具有 μ = 20 的坍缩核中的盘碎片化？
• RQ2 在初始扰动较弱时，何种物理机制可实现磁化核中旋转盘的磁稳定？
• RQ3 为何当初始扰动较大（A = 0.5）时，即使 μ 较高，碎片化仍能持续发生？
• RQ4 在强磁场条件下，二次坍缩阶段的碎片化是否可作为双星形成的可行替代路径？
• RQ5 非耦合扩散或初始核的非均匀性如何影响磁化核中碎片化的可能性？

主要发现

• 对于小振幅扰动（A = 0.1），磁场可通过环向磁场分量的快速增长抑制碎片化，使盘结构稳定至 μ = 20，其机制是通过提高有效声速实现。
• 该稳定作用并非源于磁制动，而是由感应出的环向磁场所关联的阿尔芬速度引起，其在较差旋转盘中具有显著影响。
• 当 μ < 5 时，磁制动完全阻止了盘的形成，导致角动量损失，使碎片化更不可能发生。
• 当初始扰动较大（A = 0.5）时，碎片化在广泛的 μ 范围内发生，仅在 μ ≈ 1（接近临界磁场）时碎片化被抑制。
• 结果表明，若初始核具有足够大的尺度非均匀性，或碎片化发生在二次坍缩阶段，则可能解决“碎片化危机”问题。
• 即使在强磁化核中，二次坍缩仍可能提供一种稳健的双星形成机制，因其可独立于初始盘碎片化过程发生。