[论文解读] Protostellar Jets and Turbulence in Molecular Clouds: The Role of Interactions

A. J. Cunningham, Adam Frank+1 more|Dec 19, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 13

一句话总结

本研究通过模拟不同碰撞参数下的辐射流体动力学喷流，调查了原恒星喷流之间的碰撞是否能驱动分子云中的湍流。结果表明，只有直接的、高碰撞参数的碰撞才能显著压缩和改变喷流物质的流向，但此类碰撞极为罕见；相反，来自静止源的遗迹喷流在动量传递和维持湍流方面更为有效。

ABSTRACT

We present a series of numerical studies of the interaction of colliding radiative, hydrodynamic young stellar outflows. We study the effect of the collision impact parameter on the acceleration of ambient material and the degree to which the flow is isotropized by the collision as a mechanism for driving turbulence in the parent molecular cloud. Our results indicate that the high degrees of compression of outflow material, achieved through radiative shocks near the vertex of the interaction, prevents the redirected outflow from spraying over a large spatial region. Furthermore, the collision reduces the redirected outflow's ability to entrain and impart momentum into the ambient cloud. Consideration of the probabilities of outflow collisions leads us to conclude that individual low velocity fossil outflows are the principle coupling between outflows and the cloud.

研究动机与目标

• 评估年轻恒星喷流之间的碰撞是否能有效将动量和能量传递至分子云以驱动湍流。
• 评估喷流碰撞的碰撞参数对动量捕获和流动各向同性化的影响。
• 基于恒星和喷流密度，确定此类碰撞在典型恒星形成区中发生的统计可能性。
• 研究活跃喷流碰撞与遗迹喷流中哪一机制是将喷流能量耦合至云湍流的主导方式。
• 量化辐射冷却在喷流相互作用期间抑制动量传递的作用。

提出的方法

• 对不同碰撞参数（从正碰至擦边）的碰撞、辐射、流体动力学喷流进行数值模拟。
• 将喷流建模为长度 L = 1 pc、半径 R = 0.1 pc 的圆柱形喷流，假设喷流持续时间 t_outflow = 2×10⁵ yr。
• 采用体积填充率方法估算碰撞概率：P ∝ (V_outflow / V)²，其中 V_outflow = πR²L。
• 计算临界恒星密度 N_critical，使出流填充率达到10%，并实现高速喷流流体的直接碰撞（R = 200 AU）。
• 通过激波压缩和辐射冷却导致的弓激波表面积减小，分析动量传递效率。
• 比较碰撞情景中“即时捕获”（激波驱动）与“湍流捕获”（边界层驱动）机制的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于恒星密度和喷流寿命，原恒星喷流碰撞在典型分子云中发生的概率是多少？
• RQ2 喷流碰撞的碰撞参数如何影响喷流动量的重新定向及周围气体的捕获？
• RQ3 喷流碰撞期间的辐射冷却在多大程度上降低了可用于湍流能量沉积的动能和动量？
• RQ4 喷流碰撞能否使流动各向同性化并驱动分子云中的全局湍流？
• RQ5 遗迹喷流是否比活跃喷流碰撞更有效地将机械能耦合至云湍流？

主要发现

• 高速、未激波的喷流流体之间的直接碰撞极为罕见，要求恒星密度达到 N_direct_critical = 5×10⁶ pc⁻³——比密集恒星形成区中观测到的值高出三个数量级。
• 高碰撞参数的碰撞导致喷流气体强烈压缩和冷却，减少有效弓激波表面积，从而限制了向周围物质的动量传递。
• 喷流碰撞降低了其捕获和加速周围云气的能力，原因在于激波驱动的动量交换被抑制。
• 擦边碰撞（仅涉及弓激波的包层或侧缘）对能量耗散或动量传递的影响微乎其微。
• 碰撞点处的辐射冷却显著降低了可用于湍流注入的动能，阻碍了能量的有效再分配。
• 研究结论认为，遗迹喷流——即喷流源停止后留下的空腔——比活跃喷流碰撞更可能是维持云湍流的主导机制。