[论文解读] Understanding star formation in molecular clouds II. Signatures of gravitational collapse of IRDCs

Nicola Maria Schneider, T. Csengeri+7 more|Kölner Universitäts PublikationsServer (Universität zu Köln)|Jun 12, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 77被引用 38

一句话总结

本研究分析赫歇尔尘埃连续谱与CO谱线数据，表明大质量红外暗云（IRDCs）并非孤立存在，而是巨大分子云（GMCs）中密度最高的区域，其幂律柱密度概率密度函数（PDFs）源于引力塌缩。IRDC的PDF中未见对数正态分布——与更广泛的GMCs不同——证实自引力在这些高密度区域占主导地位，且12CO谱线中的独立下落特征进一步支持整体塌缩。

ABSTRACT

We analyse column density and temperature maps derived from Herschel dust continuum observations of a sample of massive infrared dark clouds (G11.11-0.12, G18.82-0.28, G28.37+0.07, G28.53-0.25). We disentangle the velocity structure of the clouds using 13CO 1-0 and 12CO 3-2 data, showing that these IRDCs are the densest regions in massive giant molecular clouds and not isolated features. The probability distribution function (PDF) of column densities for all clouds have a power-law distribution over all (high) column densities, regardless of the evolutionary stage of the cloud: G11.11-0.12, G18.82-0.28, and G28.37+0.07 contain (proto)-stars, while G28.53-0.25 shows no signs of star formation. This is in contrast to the purely log-normal PDFs reported for near/mid-IR extinction maps. We only find a log-normal distribution for lower column densities, if we perform PDFs of the column density maps of the whole GMC in which the IRDCs are embedded. By comparing the PDF slope and the radial column density profile, we attribute the power law to the effect of large-scale gravitational collapse and to local free-fall collapse of pre- and protostellar cores. Independent from the PDF analysis, we find infall signatures in the spectral profiles of 12CO for G28.37+0.07 and G11.11-0.12, supporting the scenario of gravitational collapse. IRDCs are the densest regions within GMCs, which may be the progenitors of massive stars or clusters. At least some of the IRDCs are probably the same features as ridges (high column density regions with N>1e23 cm-2 over small areas), which were defined for nearby IR-bright GMCs. Because IRDCs are only confined to the densest (gravity dominated) cloud regions, the PDF constructed from this kind of a clipped image does not represent the (turbulence dominated) low column density regime of the cloud.

研究动机与目标

• 研究在大质量IRDC中观测到的幂律柱密度PDF的物理起源，与更广泛GMC中观测到的对数正态分布进行对比。
• 确定引力塌缩是否主导IRDC的结构，而非湍流或反馈作用。
• 通过分析柱密度PDF、径向剖面及分子谱线的下落特征，评估IRDC的演化状态。
• 利用多波段数据与统计分析，澄清IRDC是否为孤立天体，还是更大GMC结构中的最密集聚区。
• 将观测到的PDF斜率与下落谱线特征与不同恒星形成效率下自引力湍流云的理论模型相联系。

提出的方法

• 利用赫歇尔远红外尘埃发射数据（70–500 μm）构建柱密度图，推导出四个IRDC的尘埃柱密度。
• 使用13CO (1–0) 和12CO (3–2) 谱线数据推导气体柱密度，并分离速度结构，识别整体与污染性发射成分。
• 计算IRDC及其宿主GMC的柱密度概率密度函数（PDFs），对比对数正态与幂律拟合。
• 将径向柱密度剖面与幂律指数α ≈ 1.7拟合，以评估其与自引力一致性的结构特征。
• 分析12CO (3–2) 谱线剖面中的自吸收特征，以识别IRDC中心区域的下落运动。
• 将结果与数值模拟（如Federrath & Klessen 2013）比较，以解释在自引力作用下对数正态PDF向幂律PDF的转变。

实验结果

研究问题

• RQ1 IRDC的柱密度PDF是否如在较稀疏分子云中那样呈对数正态分布，还是由于引力塌缩而表现出幂律尾部？
• RQ2 观测到的PDF斜率与IRDC的径向柱密度剖面在多大程度上与自引力湍流云模型的预测相符？
• RQ3 12CO谱线中的下落特征是否能为IRDC中的引力塌缩提供独立证据，即使在缺乏强恒星形成活动的情况下？
• RQ4 IRDC中恒星形成活动（或缺乏）如何影响其柱密度PDF与结构特性？
• RQ5 IRDC是否真的是孤立天体，还是如多波段数据所提示的那样，是更大GMC中密度最高、受引力主导的区域？

主要发现

• 所有四个IRDC（G11.11-0.12、G18.82-0.28、G28.37+0.07、G28.53-0.25）的柱密度PDF在所有高柱密度区域均表现出幂律分布，无对数正态成分，表明引力塌缩占主导地位。
• PDF的幂律斜率（α = 1.66 ± 0.18）与径向柱密度剖面斜率（α = 1.70 ± 0.07）一致，符合自引力球对称塌缩模型。
• 在G28.37+0.07与G11.11-0.12中检测到12CO (3–2) 谱线剖面中的下落特征——特别是系统速度处的自吸收——支持整体引力塌缩。
• 宿主IRDC的GMC整体PDF在低柱密度区域呈对数正态形式，高密度区域具有幂律尾部，但IRDC特异性PDF因对最密集聚区的空间截断而缺失对数正态部分。
• 尽管恒星形成活动存在差异（如G28.53-0.25为平静状态），所有IRDC均表现出相似的幂律PDF，表明引力塌缩是致密IRDC核心的普遍特征，与演化阶段无关。
• 结果与数值模拟一致，表明自引力在湍流被塌缩取代后，会在PDF中诱导出幂律尾部，且恒星形成效率（SFE）约为5–20%，与观测斜率相符。