[论文解读] Simulating star formation in molecular cloud cores I. The influence of low levels of turbulence on fragmentation and multiplicity

S. P. Goodwin, A. P. Whitworth+1 more|ArXiv.org|Sep 30, 2003

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 51被引用 109

一句话总结

本研究利用高分辨率流体动力学模拟表明，即使在致密分子云核中仅存在较低水平的湍流（α_turb = 0.05）——这与观测到的平静核心典型特征一致——也能引发混沌分裂数，导致80%的情况下形成多星系统。模拟生成的系统在轨道分离度、质量比和偏心率方面与观测到的双星和多星系统一致，动力学相互作用优先导致低质量恒星和棕矮星被抛射。

ABSTRACT

We present the results of an ensemble of simulations of the collapse and fragmentation of dense star-forming cores. We show that even with very low levels of turbulence the outcome is usually a binary, or higher-order multiple, system. We take as the initial conditions for these simulations a typical low-mass core, based on the average properties of a large sample of observed cores. All the simulated cores start with a mass of $M = 5.4 M_{\odot}$, a flattened central density profile, a ratio of thermal to gravitational energy $α_{ m therm} = 0.45$ and a ratio of turbulent to gravitational energy $α_{ m turb} = 0.05 $. Even this low level of turbulence is sufficient to produce multiple star formation in 80% of the cores; the mean number of stars and brown dwarfs formed from a single core is 4.55, and the maximum is 10. At the outset, the cores have no large-scale rotation. The only difference between each individual simulation is the detailed structure of the turbulent velocity field. The multiple systems formed in the simulations have properties consistent with observed multiple systems. Dynamical evolution tends preferentially to eject lower mass stars and brown dwarves whilst hardening the remaining binaries so that the median semi-major axis of binaries formed is $\sim 30$ au. Ejected objects are usually single low-mass stars and brown dwarfs, yielding a strong correlation between mass and multiplicity. Our simulations suggest a natural mechanism for forming binary stars that does not require large-scale rotation, capture, or large amounts of turbulence.

研究动机与目标

• 探究在观测到的平静预星核中所见的低水平湍流是否能驱动形成多星系统。
• 调和观测到的恒星高多星性与致密核中测得的低湍流水平之间的矛盾。
• 确定仅靠湍流（无大尺度旋转或高能过程）是否足以解释双星和多星系统的形成。
• 研究所形成恒星及多星系统的统计特性，包括轨道参数和质量分异。

提出的方法

• 模拟基于观测到的核特性，建模一个5.4 M☉分子云核的坍缩，其具有平坦的中心密度分布（核心）和r⁻⁴的包层。
• 初始条件包括α_therm = 0.45（热能）和α_turb = 0.05（湍流动能），无大尺度旋转。
• 湍流速度场通过随机生成，各次模拟仅在初始湍流速度结构上有所不同。
• 光滑粒子流体动力学（SPH）代码追踪流体动力学、引力和吸积过程，能够解析分裂数和动力学相互作用。
• 对20次模拟进行统计分析，量化多星性、轨道参数、质量比和抛射率。
• 结果与观测到的双星分离度、偏心率和质量比分布（例如，Duquennoy & Mayor 1991）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 分子云核中低水平湍流（α_turb = 0.05）是否能导致多星系统的形成？
• RQ2 湍流速度场的混沌特性如何影响每颗核形成的恒星数量及其特性？
• RQ3 模拟生成的多星系统是否重现了观测到的双星轨道分离度、偏心率和质量比？
• RQ4 动力学相互作用在抛射低质量天体和硬化双星系统中起什么作用？
• RQ5 模拟系统中质量与多星性之间是否存在相关性？该相关性是否与观测一致？

主要发现

• 在80%的模拟中，低湍流（α_turb = 0.05）导致分裂数形成多星系统，平均每颗核形成4.55颗恒星或棕矮星。
• 每颗核形成的天体数量在1至10之间随机波动，具体取决于初始湍流速度场的结构。
• 形成双星的中位半长轴约为30 au，与观测到的G型主序星双星分布一致。
• 近距离双星（a < 20 au）主要通过宽双星的动力学硬化形成，而非直接分裂数。
• 质量比随时间演化：在0.3 Myr时，近距离双星的质量比（q > 0.4）高于宽双星（q < 0.5），与观测一致。
• 低质量天体（<0.5 M☉）因动力学相互作用被优先抛射，导致形成一个具有高速度弥散度和低双星率的低质量天体群体。