[论文解读] The Formation of Massive Molecular Filaments and Massive Stars Triggered by a MHD Shock Wave

Tsuyoshi Inoue, P. Hennebelle+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 15被引用 3

一句话总结

本文提出，分子云碰撞产生的强磁流体动力学（MHD）激波可触发大质量分子丝和大质量恒星的形成。通过采用自适应网格细化和吸积粒子的高分辨率等温MHD模拟，研究显示激波压缩使气体聚焦成垂直于磁场的高线密度丝状结构，从而实现全局坍缩和吸积速率超过$10^{-4}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}$，在$\sim3\times10^5$年内形成超过50 $M_\odot$的吸积粒子质量，表明其为O型恒星形成的可行路径。

ABSTRACT

Recent observations suggest that intensive molecular cloud collision can trigger massive star/cluster formation. The most important physical process caused by the collision is a shock compression. In this paper, the influence of a shock wave on the evolution of a molecular cloud is studied numerically by using isothermal magnetohydrodynamics (MHD) simulations with the effect of self-gravity. Adaptive-mesh-refinement and sink particle techniques are used to follow long-time evolution of the shocked cloud. We find that the shock compression of turbulent inhomogeneous molecular cloud creates massive filaments, which lie perpendicularly to the background magnetic field as we have pointed out in a previous paper. The massive filament shows global collapse along the filament, which feeds a sink particle located at the collapse center. We observe high accretion rate dot{M}_acc > 10^{-4} M_sun/yr that is high enough to allow the formation of even O-type stars. The most massive sink particle achieves M>50 M_sun in a few times 10^5 yr after the onset of the filament collapse.

研究动机与目标

• 研究强MHD激波从分子云碰撞中如何驱动大质量分子丝和大质量恒星的形成。
• 确定在磁化湍流分子云中，激波压缩是否能产生有利于大质量恒星形成的条件。
• 评估磁场在改变激波特性和促进高质质量吸积速率中的作用。
• 评估在不同数值分辨率和初始条件下，大质量丝状结构和恒星形成过程的鲁棒性。
• 将模拟结果与S116和NGC6334等区域的观测特征进行比较，这些区域的丝状结构表明存在碰撞触发机制。

提出的方法

• 采用包含自引力的等温磁流体动力学（MHD）数值模拟，以模拟湍流磁化分子云中的激波特性和压缩过程。
• 采用自适应网格细化（AMR）技术，动态解析小尺度结构和高密度区域。
• 引入吸积粒子技术以模拟引力坍缩和吸积过程，形成阈值设定为$\sim3\times10^{-17}\,\text{g cm}^{-3}$。
• 模拟追踪受激波影响的云团长期演化，重点关注丝状结构形成、线密度演化和吸积历史。
• 阿尔文马赫数和磁场强度为关键参数，压缩比$r \simeq \sqrt{2}\,M_{\rm A}$适用于$M_{\rm A} > M_{\rm s}$的情形。
• 通过改变AMR层级和吸积粒子形成阈值，开展敏感性测试以评估数值收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 云碰撞产生的强MHD激波能否形成足够线密度的大质量分子丝以促成大质量恒星的形成？
• RQ2 磁场在改变激波特性和促进丝状结构中高吸积速率方面发挥何种作用？
• RQ3 能否通过激波诱导的丝状结构坍缩再现大质量恒星形成区域中观测到的高吸积速率（>10⁻⁴ $M_\odot$ yr⁻¹）？
• RQ4 在MHD激波和自引力作用下，最重的吸积粒子的质量和吸积速率如何随时间演化？
• RQ5 在不同数值分辨率和吸积粒子形成阈值下，通过激波触发的丝状结构坍缩形成大质量恒星的过程是否具有鲁棒性？

主要发现

• 湍流磁化分子云在激波特性和压缩作用下形成大质量丝状结构，线密度最高可达$100\,M_\odot\,\text{pc}^{-1}$，且与磁场方向垂直。
• 这些丝状结构经历全局纵向坍缩，向中心吸积粒子提供超过$10^{-4}\,M_\odot\,\text{yr}^{-1}$的吸积速率，足以支持O型恒星的形成。
• 最重的吸积粒子在丝状结构坍缩开始后约$\sim3\times10^5$年内达到超过$50\,M_\odot$的质量。
• 该形成机制由弯曲MHD激波引起的聚焦流驱动，与Inoue & Fukui（2013）提出的理论框架一致。
• 模拟结果表明，大质量恒星形成过程对分辨率变化具有鲁棒性，不同AMR层级下吸积粒子质量和吸积速率均保持稳定。
• 结果与S116和NGC6334等区域观测到的大质量丝状结构一致，这些区域中推断存在激波诱导的丝状结构增强现象。