[论文解读] The Effects of Inhomogeneities within Colliding Flows on the Formation and Evolution of Molecular Clouds

Jonathan Carroll-Nellenback, Adam Frank+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2013

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 36被引用 12

一句话总结

本研究利用流体动力学模拟比较了平滑与团块状汇聚流在分子云形成过程中的表现，发现团块状流入通过抑制早期碎片化，延迟了局部引力坍缩，从而促进质量积累，并触发更晚但更剧烈的全局坍缩与恒星形成爆发。结构化的流入提高了全局坍缩效率并减少了初始混合偏差，导致在约20 Myr后，其恒星形成率高于平滑流入。

ABSTRACT

Observational evidence from local star-forming regions mandates that star formation occurs shortly after, or even during, molecular cloud formation. Models of the formation of molecular clouds in large-scale converging flows have identified the physical mechanisms driving the necessary rapid fragmentation. They also point to global gravitational collapse driving supersonic turbulence in molecular clouds. Previous cloud formation models have focused on turbulence generation, gravitational collapse, magnetic fields, and feedback. Here, we explore the effect of structure in the flow on the resulting clouds and the ensuing gravitational collapse. We compare two extreme cases, one with a collision between two smooth streams, and one with streams containing small clumps. We find that structured converging flows lead to a delay of local gravitational collapse ("star formation"). Thus, more gas has time to accumulate, eventually leading to a strong global collapse, and thus to a high star formation rate. Uniform converging flows fragment hydrodynamically early on, leading to the rapid onset of local gravitational collapse and an overall low sink formation rate.

研究动机与目标

• 研究大尺度汇聚流中的非均匀性如何影响分子云的形成与恒星形成的启动。
• 比较质量通量相同的平滑与团块状流入在动力学演化与引力坍缩方面的差异。
• 确定结构化流入是否延迟局部坍缩并增强全局坍缩，从而导致更高的恒星形成率。
• 通过分析混合效率与核心成分，评估初始流体结构对云团形态与恒星形成的影响。
• 评估非热超音速湍流与碎片化在不同流入条件下对云团演化的作用。

提出的方法

• 模拟使用自适应网格细化代码AstroBEAR 2.0求解包含自引力与平衡冷却的流体动力学方程。
• 运行两个相同的模拟：一个为平滑流入，另一个为团块状流入（填充因子5%），两者均具有40 pc直径与665 M☉ Myr⁻¹的质量通量。
• 采用非分裂CTU积分器与吸收集粒子方法追踪引力坍缩与恒星形成过程。
• 通过HYPRE求解泊松方程以模拟自引力，基础网格为40×64×64，共5级细化，有效分辨率达1280×2048×2048（单元大小约0.05 pc）。
• 通过ρR − ρL / (ρR + ρL)量化混合偏差，以评估不同区域中核心成分与流入记忆。
• 模拟运行30 Myr，分析重点包括坍缩启动时间、湍流水平与吸收集形成速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 汇聚流中团块的存在如何影响形成中分子云的局部引力坍缩的时机与效率？
• RQ2 流体非均匀性对全局坍缩发展与后续恒星形成爆发有何影响？
• RQ3 平滑与团块状流入如何影响形成核心的混合效率与成分记忆？
• RQ4 团块状流入在多大程度上延迟早期碎片化并促进坍缩前的质量积累？
• RQ5 为何平滑流入在核心中产生比团块状流入更强的混合偏差？

主要发现

• 与平滑流入（约10 Myr后发生局部坍缩）相比，团块状流入模拟使局部引力坍缩延迟了近20 Myr。
• 在20 Myr后，由于积累的质量触发了强烈的全局坍缩，团块状流入模拟的吸收集形成速率更高。
• 平滑流入表现出更高的初始速度弥散度与更高效的能量耗散，这是由于持续压缩与碎片化所致。
• 团块状流入表现出更低的冷却效率与更弱的压缩，抑制了早期碎片化，从而延迟了坍缩。
• 混合偏差分析显示，平滑流入模拟中的核心强烈偏向某一流入方向，而团块状流入模拟中的核心混合偏差接近零，表明流入记忆因全局坍缩而被抹除。
• 平滑流入模拟中存在非热激波不稳定性（NTSI），使物质汇聚至凹槽，形成非对称混合，而该现象在团块状流入模拟中因全局坍缩动力学而不存在。