[论文解读] Magnetic Suppression of Turbulence and the Star Formation Activity of Molecular Clouds

Zamora-Avilés Manuel, Vázquez-Semadeni Enrique+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2016

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本研究利用磁流体动力学（MHD）模拟，探究在汇聚流形成分子云的过程中，磁场如何抑制湍流——特别是非线性薄壳不稳定性（NTSI）。研究发现，更强的磁场会导致形成更致密、更少湍流、质量更大的云团，从而引发更早的引力坍缩和增强的恒星形成，这与传统观点相矛盾，即磁场通过提供支撑来抑制恒星形成。

ABSTRACT

We present magnetohydrodynamic simulations aimed at studying the effect of the magnetic suppression of turbulence (generated through various instabilities during the formation of molecular clouds by converging) on the subsequent star formation (SF) activity. We study four magnetically supercritical models with magnetic field strengths $B= 0$, 1, 2, and 3 $μ$G (corresponding to mass--to--flux ratios of $\infty$, 4.76, 2.38, and 1.59 times the critical value), with the magnetic field, initially being aligned with the flows. We find that, for increasing magnetic field strength, the clouds formed tend to be more massive, denser, less turbulent, and with higher SF activity. This causes the onset of star formation activity in the non--magnetic or more weakly magnetized cases to be delayed by a few Myr in comparison to the more strongly magnetized cases. We attribute this behavior to the suppression of the nonlinear thin shell instability (NTSI) by the magnetic field, previously found by Heitsch and coworkers. This result is contrary to the standard notion that the magnetic field provides support to the clouds, thus reducing their star formation rate (SFR). However, our result is a completely nonlinear one, and could not be foreseen from simple linear considerations.

研究动机与目标

• 研究磁场如何影响通过汇聚流形成分子云过程中湍流的生成。
• 考察磁场在调节新形成分子云中恒星形成活动中的作用。
• 检验磁场对不稳定性（如NTSI）的抑制是否导致更早的引力坍缩和增强的恒星形成。
• 解决一个悖论：为何磁超临界云团可能比非磁性云团更早形成恒星。

提出的方法

• 使用FLASH代码进行数值模拟，以模拟具有不同初始磁场强度（0、1、2和3 μG）的磁流体动力学（MHD）流动。
• 模拟追踪了从与磁场方向一致的汇聚性温中性介质（WNM）流中形成云团的过程。
• 模型为磁超临界，质量-通量比分别为临界值的∞、4.76、2.38和1.59倍。
• 通过密度涨落、速度弥散度以及吸积粒子形成（作为原恒星诞生的代理）来量化湍流和恒星形成活动。
• 将非线性薄壳不稳定性（NTSI）作为主要被磁场抑制的湍流驱动机制进行分析。
• 模拟设置包括自引力作用和模拟太阳邻近区云团形成的现实初始条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 当磁场与汇聚流方向对齐时，如何影响形成中分子云的湍流发展？
• RQ2 磁场对NTSI的抑制是否导致引力坍缩更早开始并增强恒星形成？
• RQ3 为何强磁场云团比非磁性或弱磁场云团更早形成恒星，这与磁场抑制恒星形成的预期相反？
• RQ4 在缺乏强磁场的情况下，湍流本身在多大程度上能支持分子云抵抗引力坍缩？
• RQ5 在流入驱动的坍缩过程中，磁张力在稳定或 destabilize（不稳定化）云团形成过程中的作用是什么？

主要发现

• 将磁场强度从0 μG增加到3 μG，导致分子云更致密、质量更大且湍流更少，这是由于非线性薄壳不稳定性（NTSI）被抑制。
• 在非磁性和弱磁性模型（B0和B1）中，恒星形成开始时间比强磁性模型（B2和B3）延迟数百万年。
• 磁场对NTSI的抑制减少了湍流能量耗散，从而加快了引力坍缩并导致更早的恒星形成活动。
• 在非磁性情况（B0）下，恒星形成仅在流入终止后才开始，表明仅靠湍流不足以支撑云团抵抗坍缩。
• 结果与标准观点相矛盾，即磁场通过提供压强支撑来抑制恒星形成；相反，本研究显示磁场可通过抑制湍流来加速坍缩。
• 研究结果表明，银河系中典型磁场强度为2–3 μG的真实分子云，在形成后不久就很可能经历全局引力坍缩，这与观测到的恒星形成活动一致。