[论文解读] On the stability of nonisothermal Bonnor-Ebert spheres. III. The role of chemistry in core stabilization

O. Sipilä, P. Caselli+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 34被引用 4

一句话总结

本研究探讨了化学过程如何影响被建模为非等温邦纳-艾伯特球体的无星核心的引力稳定性。通过将时变化学模型与辐射转移模型耦合以计算随时间演化的气体温度，作者发现化学过程对决定核心稳定性的无量纲半径 ξ_out 影响极小——大多数核心保持在其初始稳定状态，尽管在初始不稳定的核中，极少数情况可能出现晚期的稳定化（ξ_out 减小），尤其是在 t ≳ 10^6 yr 时。

ABSTRACT

Aims. We investigate the effect of chemistry on the stability of starless cores against gravitational collapse. Methods. We combine chemical and radiative transfer simulations in the context of a modified Bonnor-Ebert sphere to model the effect of chemistry on the gas temperature, and study the effect of temperature changes on core stability. Results. We find that chemistry has in general very little effect on the nondimensional radius $ξ_{ m out}$ which parametrizes the core stability. Cores that are initially stable or unstable tend to stay near their initial states, in terms of stability (i.e., $ξ_{ m out} \sim$ constant), as the chemistry develops. This result is independent of the initial conditions. We can however find solutions where $ξ_{ m out}$ decreases at late times ($t \gtrsim 10^6 \, m yr$) which correspond to increased stabilization caused by the chemistry. Even though the core stability is unchanged by the chemistry in most of the models considered here, we cannot rule out the possibility that a core can evolve from an unstable to a stable state owing to chemical evolution. The reverse case, where an initially stable core becomes ultimately unstable, seems highly unlikely. Conclusions. Our results indicate that chemistry should be properly accounted for in studies of star-forming regions, and that further investigations of core stability especially with hydrodynamical models are warranted.

研究动机与目标

• 评估化学演化是否能促使无星核心从引力不稳定转变为稳定，或反之。
• 确定时变化学如何影响气体温度，从而影响非等温核心中的稳定性参数 ξ_out。
• 评估化学过程是否能显著改变无星核心的寿命或坍缩 timescale。
• 检验在不同初始化学条件和核心构型下，核心稳定性预测的鲁棒性。
• 确定在研究化学-稳定性耦合时，平衡假设（动力学 timescales << 化学 timescales）是否成立。

提出的方法

• 将无星核心建模为具有径向温度分布的改进邦纳-艾伯特球体（MBES）。
• 使用详细的化学网络计算时变分子丰度和气体冷却速率。
• 将化学演化与辐射转移耦合，自洽地计算随时间演化的气体温度。
• 应用先前研究（Sipilä et al. 2011, 2015c）的稳定性判据，其中稳定性由无量纲半径 ξ_out 决定。
• 在固定中心密度和外部压力下演化核心，假设非热速度弥散恒定。
• 追踪 ξ_out 随时间（长达 ~10^6 yr）的变化，以评估化学演化引起的稳定性状态变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 无星核心中的化学演化是否可能引发从引力不稳定到稳定的转变？
• RQ2 由化学驱动的气体温度时变如何影响稳定性参数 ξ_out？
• RQ3 初始化学状态（如原子态与分子态）是否显著改变核心的稳定性演化？
• RQ4 由于化学过程，从稳定到不稳定的反向转变是否可能？
• RQ5 化学过程可能在多长 timescale 内诱导核心发生显著稳定化？

主要发现

• 化学过程对大多数核心的稳定性影响极小，因为 ξ_out 随时间基本保持恒定。
• 在极少数情况下，特别是初始不稳定的核中，ξ_out 在晚期（t ≳ 10^6 yr）减小，表明可能存在化学稳定化。
• 由于化学过程导致的从不稳定到稳定状态的转变是可能的，但仅可能在约 10^6 yr 的 timescale 上发生。
• 从稳定到不稳定的反向转变在模型中极不可能出现。
• 初始条件（如化学成分）会影响 ξ_out 的绝对值，但不会改变化学过程对稳定性影响甚微的总体结论。
• 结果表明，应在核心稳定性研究中纳入化学过程，尤其是在动态模型中，尽管平衡假设可能过度简化了真实核心演化。