[论文解读] Time-dependent accretion and ejection implied by pre-stellar density profiles

R. N. Henriksen, P. André+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 1997

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用 15

一句话总结

本文提出，非奇异且扁平化的预星体核心密度分布会导致原恒星坍缩期间出现短暂的、随时间变化的增强吸积与喷射阶段，从而解释从0型到I型年轻恒星（YSO）的喷流活动减弱现象。该模型预测，由于非奇异核心的超音速下落，初始吸积率较高，但随时间因质量储备有限而衰减，与观测到的0型原恒星强喷流和I型原恒星较弱喷流一致。

ABSTRACT

Recent observations suggest that mass ejection and mass accretion both decline significantly with time during early protostellar evolution (Bontemps et al. 1996). In the present paper, we propose that this rapid decay of accretion/ejection activity is a direct result of the non-singular density profiles characterizing pre-collapse clouds. The radial density profiles of pre-stellar cores are indeed found to be much flatter than rho(r) ~ r(-2) at radii less than a few thousand AU (Ward-Thompson et al. 1994). Here we show, through Lagrangian analytical calculations, that the supersonic gravitational collapse of pre-stellar cloud cores with centrally peaked, but flattened density profiles leads to a transitory phase of energetic accretion immediately following the formation of the central hydrostatic protostar. Physically, the flat inner region collapses first nearly homologously to form a finite mass stellar nucleus, and the remaining cloud core material then accretes supersonically onto a non-zero point mass. Enhanced accretion persists as long as the gravitational pull of this initial point mass, which does not exist in the Shu singular solution, remains significant. We suggest that this epoch of vigorous accretion coincides with Class 0 protostars, which would explain their unusually powerful jets compared to the more evolved Class I objects. We also use a simple two-component power-law model to fit the diagrams of outflow power versus envelope mass observed by Bontemps et al. (1996), and suggest that rho Ophiuchi and Taurus young stellar objects follow different accretion histories because of differing initial conditions.

研究动机与目标

• 解释从0型到I型年轻恒星（YSO）观测到的吸积与喷流活动减弱现象。
• 研究非奇异、扁平化的预星体核心密度分布对原恒星坍缩动力学的影响。
• 模拟非奇异核心中吸积率的时间演化，并与标准奇异Shu模型进行比较。
• 将预测的瞬态高吸积阶段与0型原恒星中观测到的高能喷流联系起来。
• 通过初始核心条件解释猎户座Taurus与ρ Ophiuchi星云中YSO群体吸积历史的差异。

提出的方法

• 使用拉格朗日解析方法，模拟具有非奇异、扁平密度分布的预星体核心的引力坍缩。
• 应用零压、自相似椭圆流解（L/P解）来描述核心形成后的超音速坍缩阶段。
• 定义一个临界时间 $-t_{ff}(N)$，表示流动从近似平衡状态过渡到超音速坍缩的时刻，标志着吸积阶段的开始。
• 使用无量纲变量 $ ho_N$、$r_N$ 和 $ ho_c$ 推导吸积率 $ ilde{M}_{acc}$，在渐近极限下 $ ilde{M}_{acc} ightarrow rac{2 ilde{a}_s^3}{ ilde{G}}$。
• 引入参数 $ ilde{ ho}_N ightarrow rac{ ilde{ ho}_N ilde{a}_s^2}{ ilde{G}}$，以关联初始核心条件与吸积率。
• 使用双组分幂律模型拟合喷流功率与包层质量的关系图，以区分不同区域中吸积历史的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 非奇异、扁平化的预星体核心密度分布如何影响原恒星坍缩期间吸积与喷流的时间演化？
• RQ2 为何0型原恒星表现出比更演化后的I型YSO更强的喷流？这是否能通过时间依赖的吸积来解释？
• RQ3 从0型到I型源的喷流活动减弱现象，在核心结构与质量储备方面有何起源？
• RQ4 非奇异核心模型中的吸积率与标准Shu模型预测的恒定吸积率相比如何？
• RQ5 为何Taurus与ρ Ophiuchi星云中的YSO表现出不同的吸积历史？初始核心条件如何解释这一差异？

主要发现

• 非奇异、扁平核心模型预测，在原恒星形成后立即出现一个增强吸积的瞬态阶段，这是由于非奇异初始分布导致的超音速下落。
• 初始吸积率超过标准Shu模型的恒定值 $ ilde{a}_s^3/ ilde{G}$，这是由于第一阶段坍缩时下落速度极高。
• 由于质量储备有限，吸积率随时间衰减，导致晚期吸积的最终下降，与I型喷流较弱的观测结果一致。
• 渐近吸积率收敛至 $ ilde{M}_{acc}^{asymptote} = -rac{2 ilde{a}_s^3}{ ilde{G}} imes rac{2}{ ilde{ ho}_N^3} imes rac{1}{ ilde{ ho}_N^3}$，数值因子为 $0.900 ilde{ ho}_N^3$。
• 该模型预测0型原恒星处于高吸积阶段，解释了其强大的喷流；而I型源则处于吸积率下降阶段。
• 对喷流功率与包层质量关系的双组分幂律拟合表明，Taurus的I型源符合标准Shu模型，而ρ Oph的I型源则因初始核心条件不同，处于其吸积的最终阶段。