[论文解读] On the stability of non-isothermal Bonnor-Ebert spheres. II. The effect of gas temperature on the stability

O. Sipilä, J. Harju+1 more|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Aug 25, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 22被引用 5

一句话总结

本研究通过时变气体-尘埃化学与辐射转移自洽计算气体温度，探究了非等温Bonnor-Ebert球体的稳定性，表明化学演化（尤其是CO冻结）显著改变了大质量核（M > 1 M☉）的稳定性，而小质量核在标准假设下仍保持稳定。与等温模型相比，临界无量纲半径ξ₁的变化幅度达10%，且随时间推移，温度与密度分布发生显著变化。

ABSTRACT

Aims. We investigate the stability of non-isothermal Bonnor-Ebert spheres with a model that includes a self-consistent calculation of the gas temperature. This way we can discard the assumption of equality between the dust and gas temperatures, and study the stability as the gas temperature changes with chemical evolution of the gas. Methods. We use a gas-grain chemical model including a time-dependent treatment of depletion onto grain surfaces, which strongly influences the gas temperature as the main coolant, CO, depletes from the gas. Dust and gas temperatures are solved with radiative transfer. For comparison with previous work, we assume that the cores are deeply embedded in a larger external structure, corresponding to visual extinction $A_{ m V}^{ m ext}=10$ mag. Results. We find that the critical non-dimensional radius $ξ_1$ derived here is similar to our previous work where we assumed $T_{ m dust}=T_{ m gas}$; the $ξ_1$ values lie below the isothermal critical value $ξ_0\sim6.45$, but the difference is less than 10%. Chemical evolution does not affect notably the stability condition of low-mass cores (<0.75 $M_\odot$). For higher masses the decrease of cooling owing to CO depletion causes substantial temporal changes in the temperature and density profiles of the cores. In the mass range 1-2 $M_\odot$ , $ξ_1$ decreases with chemical evolution, whereas above 3 $M_\odot$ , $ξ_1$ instead increases. We also find that decreasing $A_{ m V}^{ m ext}$ increases the gas temperature especially when the gas is chemically old, causing $ξ_1$ to increase with respect to models with higher $A_{ m V}^{ m ext}$. The derived $ξ_1$ values are close to $ξ_0$. The density contrast between the core center and edge varies between 8 to 16 depending on core mass and the chemical age of the gas, compared to the constant value $\sim$ 14.1 for the isothermal BES.

研究动机与目标

• 评估在自洽气体温度演化下非等温Bonnor-Ebert球体的稳定性，突破传统假设中尘埃与气体温度相等的限制。
• 研究时变化学演化（特别是CO在尘埃表面的冻结）对气体温度与核稳定性的影响。
• 确定当T_dust ≠ T_gas时，以临界无量纲半径ξ₁衡量的稳定性条件是否与先前假设热平衡的模型相比发生显著变化。
• 考察外部消光（A_V^ext）变化对核稳定性与温度分布的影响。
• 提供一种基于观测柱密度与温度分布估算核稳定性的框架，采用时变演化模型。

提出的方法

• 采用时变气体-尘埃化学模型计算冷却物种（特别是CO）的丰度演化，考虑其在尘埃表面的冻结。
• 在每个时间步长，利用包含演化化学丰度与能量平衡的辐射转移模型计算气体温度。
• 通过辐射转移独立求解尘埃与气体温度，允许T_dust ≠ T_gas，尤其在低密度、低耦合区域显著。
• 应用改进的Bonnor-Ebert球体（MBES）模型，采用无量纲变量ξ与ψ(ξ)，由非等温条件下的流体静力平衡与能量方程导出。
• 使用解析公式（式6）计算临界无量纲半径ξ₁，该公式确定核中心与边缘之间的最大密度对比度。
• 对不同质量的核（0.1–5 M☉）进行模拟，以A_V^ext = 10 mag为基准情形，同时测试较低值（如A_V^ext = 5 mag）进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当气体温度通过时变化学自洽计算而非假设T_dust = T_gas时，非等温Bonnor-Ebert球体的临界无量纲半径ξ₁如何变化？
• RQ2 由于尘埃表面吸附导致气体相中CO冻结，对气体温度与核稳定性随时间的影响有多大？
• RQ3 气体的化学年龄如何影响不同质量核（特别是1–3 M☉范围）的稳定性？
• RQ4 与深度嵌入（A_V^ext = 10 mag）模型相比，外部消光（A_V^ext）降低如何影响气体温度与推导出的ξ₁值？
• RQ5 能否通过包含化学演化与非平衡热耦合的时变MBES模型，可靠地评估观测到的核结构稳定性？

主要发现

• 本研究推导的临界无量纲半径ξ₁与等温值ξ₀ ≈ 6.45相差不超过10%，表明即使T_dust ≠ T_gas，稳定性条件仍基本保持不变。
• 对于小质量核（M < 0.75 M☉），化学演化对稳定性影响可忽略，原因在于气体-尘埃热耦合强且平均密度高。
• 在大质量核（1–2 M☉）中，CO冻结随时间推高气体温度，使ξ₁相比化学年轻状态降低约10%。
• 对于质量超过3 M☉的核，CO冻结引起的气体温度上升导致ξ₁上升，表明化学演化增强了核的稳定性。
• 将外部消光（A_V^ext）从10降低至更低值，显著提高气体温度，尤其在化学老化气体中，导致ξ₁值高于深度嵌入模型。
• 模型中中心与边缘的密度对比度在8至16之间变化，取决于核质量与化学年龄，而等温情况下恒为~14.1。