[论文解读] Simulating star formation in molecular cores II. The effects of different levels of turbulence

S. P. Goodwin, A. P. Whitworth+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2004

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 74被引用 77

一句话总结

本研究利用光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，探究初始湍流水平在5.4 M⊙分子核中对恒星形成、碎片化及双星统计特性的影响。结果表明，当湍流参数α_turb ≈ 0.05时，最能复现场G型主序星的双星频率、质量函数及轨道特性；而更高湍流（α_turb ≥ 0.10）则产生一类与猎户座星云中观测结果一致的近距离、质量相近双星子群。

ABSTRACT

(Abridged) We explore, by means of a large ensemble of SPH simulations, how the level of turbulence affects the collapse and fragmentation of a star-forming core. All our simulated cores have the same, except that we vary (a) the initial level of turbulence (as measured by the ratio of turbulent to gravitational energy, $α_{ m turb} \equiv U_{ m turb}/|Ω| = 0, 0.01, 0.025, 0.05, 0.10 { m and} 0.25$) and (b), for fixed $α_{ m turb}$, the details of the initial turbulent velocity field (so as to obtain good statistics). A low level of turbulence ($α_{ m turb} \sim 0.05$) suffices to produce multiple systems. As $α_{ m turb}$ is increased, the number of objects formed and the companion frequency both increase. The mass function is bimodal, with a flat low-mass segment representing single objects ejected from the core before they can accrete much, and a Gaussian high-mass segment representing objects which because they remain in the core grow by accretion and tend to pair up in multiple systems.

研究动机与目标

• 确定不同初始湍流水平如何影响坍缩分子核中的碎片化、质量函数及双星统计特性。
• 评估通过改变核心坍缩模拟中的湍流水平，是否能够复现场G型主序星及猎户座星协前主序星的观测双星特征。
• 探究湍流在塑造双峰质量函数及恒星形成过程中多星系统形成中的作用。
• 将模拟结果与Duquennoy & Mayor（1991）及White & Ghez（2001）的观测数据进行比较，以约束形成类太阳恒星的分子核中湍流水平。
• 探讨高湍流环境中形成硬性、近距离双星及其高质量比的起源，并评估其与前主序星观测的一致性。

提出的方法

• 对具有类似Plummer密度分布（匹配L1544观测）的球对称5.4 M⊙核心开展大规模光滑粒子流体动力学（SPH）模拟。
• 通过参数α_turb = U_turb / |Ω|调节初始湍流动能与引力势能之比，测试的值包括：0、0.01、0.025、0.05、0.10和0.25。
• 利用功率谱P(k) ∝ k⁻⁴生成湍流速度场，以模拟分子云中观测到的湍流亚结构。
• 对每个α_turb值，进行多次实现（改变随机种子），以确保统计稳健性，并考虑湍流初始条件的随机性。
• 追踪原恒星的形成、质量增长、弹射及双星配对过程，以推导质量函数与双星统计特性（间距、偏心率、质量比）。
• 将模拟得到的双星分布（半长轴、偏心率、质量比）与Duquennoy & Mayor（1991）及White & Ghez（2001）的观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始湍流水平（α_turb）如何影响坍缩分子核中形成恒星的数量及多星系统的频率？
• RQ2 何种α_turb值最能复现场G型主序星的观测双星频率、半长轴分布、偏心率及质量比分布？
• RQ3 为何在较高湍流水平（α_turb ≥ 0.10）下会形成一类近距离、高质量比双星子群？该结果是否与猎户座星云中的观测一致？
• RQ4 湍流如何影响恒星初始质量函数的双峰结构，特别是低质量段平坦与高质量段高斯分布的形成？
• RQ5 通过混合不同α_turb值的模拟，能否复现猎户座星云中前主序双星的观测特性？

主要发现

• 形成多星系统的最低湍流水平为α_turb ≈ 0.025，此时多星系统形成概率约为20%。
• Duquennoy & Mayor（1991）观测到的场G型主序星双星统计特性，最能由α_turb ≈ 0.05的模拟复现，其伴星频率、半长轴、偏心率及质量比分布均与观测一致。
• 当α_turb ≥ 0.10时，一类具有小半长轴和高质比（质量相近）的近距离双星子群显著出现，与猎户座前主序星系的观测结果一致。
• 恒星初始质量函数呈双峰特征：低质量段（<0.5 M⊙）为被弹射的单颗原恒星形成的平坦段，高质量段为吸积并嵌入的多星系统形成的高斯段。
• 约20%的模拟天体为棕矮星（M < 0.08 M⊙），50%为低质量恒星（0.08 M⊙ < M < 0.5 M⊙），后者主要形成于多星系统中。
• 猎 Orion 星云中前主序星的质量函数与双星统计特性，最能通过混合α_turb = 0.05（20次实现）、0.10（20次实现）和0.25（10次实现）的模拟复现，如Goodwin et al.（2004b）所示。