[论文解读] PPV Chapter - The Formation of Brown Dwarfs

A. P. Whitworth, Matthew R. Bate+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2006

Astro and Planetary Science参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文综述了棕矮星形成的五种机制——湍流碎片化、核心塌缩与碎片化、盘碎片化、动力学喷射和光致侵蚀，结论认为棕矮星如同低质量恒星一样，通过动力学时标内的引力不稳定性形成，其最小质量在当前条件下被限制在0.001–0.004 M☉之间。这些机制并非互斥，其相对重要性取决于环境，而要全面理解则需要先进的三维辐射磁流体动力学模拟，以解析角动量、辐射传输和磁场的影响。

ABSTRACT

We review five mechanisms for forming brown dwarfs: (i) turbulent fragmentation of molecular clouds, producing very low-mass prestellar cores by shock compression; (ii) collapse and fragmentation of more massive prestellar cores; (iii) disc fragmentation; (iv) premature ejection of protostellar embryos from their natal cores; and (v) photo-erosion of pre-existing cores overrun by HII regions. These mechanisms are not mutually exclusive. Their relative importance probably depends on environment, and should be judged by their ability to reproduce the brown-dwarf IMF, the distribution and kinematics of newly formed brown dwarfs, the binary statistics of brown dwarfs, the ability of brown dwarfs to retain discs, and hence their ability to sustain accretion and outflows. This will require more sophisticated numerical modelling than is presently possible, in particular more realistic initial conditions and more realistic treatments of radiation transport, angular momentum transport and magnetic fields. We discuss the minimum mass for brown dwarfs, and how brown dwarfs should be distinguished from planets.

研究动机与目标

• 确定棕矮星是否通过与低质量氢燃烧恒星相同的机制形成，鉴于其连续的初始质量函数（IMF）和运动学特性。
• 评估在不同天体物理情景下（包括湍流碎片化和盘不稳定性）棕矮星形成的最小质量。
• 评估竞争性吸积、动力学喷射和光致侵蚀等竞争物理过程在塑造观测到的棕矮星群体中的作用。
• 基于形成 timescale 和初始元素组成，区分棕矮星与行星，主张恒星与行星形成路径之间存在根本性差异。
• 识别当前模拟的局限性，并指出需要更真实、三维、辐射、磁流体动力学模型，以解析碎片化、角动量传输和辐射效应的物理机制。

提出的方法

• 在三种情景下——分层三维碎片化、二维激波压缩层碎片化和托姆雷不稳定的盘碎片化——推导了由消光限制的碎片化的最小质量的解析表达式。
• 在大型原星团核中进行星团形成的数值模拟，以模拟并行过程：核心塌缩与碎片化、盘碎片化、竞争性吸积和动力学喷射。
• 使用N体动力学模拟原恒星胚胎的相互作用，包括终止吸积并限制质量的喷射事件。
• 在模拟中引入辐射传输效应，以评估其对盘碎片化及近距离棕矮星双星形成的影响。
• 将模拟得到的棕矮星特性（如质量函数、双星统计、盘保留率和运动学）与观测数据进行比较。
• 利用模拟输出评估不同核心环境（高湍流与低湍流）下盘的大小与生存率，推断盘大小对形成条件的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 棕矮星是否通过与低质量氢燃烧恒星相同的动力学、引力不稳定性过程形成，还是其起源本质上不同？
• RQ2 原星云核心碎片化形成棕矮星的最小质量是多少，且该质量如何依赖于形成情景（如湍流与盘碎片化）？
• RQ3 竞争性过程（如竞争性吸积、动力学喷射和光致侵蚀）在多大程度上塑造了棕矮星的观测质量函数、双星统计和运动学？
• RQ4 盘碎片化与盘生存率在多大程度上影响近距离棕矮星双星的形成以及原恒星盘的保留？
• RQ5 哪些物理条件（如湍流、辐射、磁场）决定了原恒星胚胎最终成为棕矮星还是低质量恒星？

主要发现

• 在太阳邻近区域，通过消光限制碎片化形成棕矮星的最小质量估计为0.001–0.004 M☉，具体取决于形成情景。
• 在高度湍流的核心中形成的棕矮星预计拥有小盘（R < 10 AU），而来自低湍流核心的棕矮星可能保留更大的盘（R ≥ 10 AU），表明盘大小依赖于形成环境。
• 在模拟中，仅有一颗动力学喷射出的棕矮星保留了分辨出的盘（R ≥ 10 AU），表明喷射事件可能截断盘的生长。
• 模拟的棕矮星-棕矮星双星分离距离小于20 AU，但因分辨率限制无法完全验证，提示可能缺失物理过程（如辐射传输）影响结果。
• 在大半径处（≥ 100 AU）的盘碎片化受热力学条件（如约2000 K处的H₂解离和消光间隙）促进，有利于形成近距离双星。
• 在高级星团模拟中，五种形成机制——湍流碎片化、核心塌缩、盘碎片化、喷射和光致侵蚀——同时发生，其相对贡献可能随环境和时期而变化。