HIERARCHICAL STRUCTURE OF MAGNETOHYDRODYNAMIC TURBULENCE IN POSITION-POSITION-VELOCITY SPACE
Magnetohydrodynamic turbulence is able to create hierarchical structures in the interstellar medium (ISM) that are correlated on a wide range of scales via the energy cascade. We use hierarchical tree diagrams known as dendrograms to characterize structures in synthetic position–position–velocity (PPV) emission cubes of isothermal magnetohydrodynamic turbulence. We show that the structures and degree of hierarchy observed in PPV space are related to the presence of self-gravity and the global sonic and Alfvénic Mach numbers. Simulations with higher Alfvénic Mach number, self-gravity and supersonic flows display enhanced hierarchical structure. We observe a strong dependency on the sonic and Alfvénic Mach numbers and self-gravity when we apply the statistical moments (i.e., mean, variance, skewness, kurtosis) to the leaf and node distribution of the dendrogram. Simulations with self-gravity, larger magnetic field and higher sonic Mach number have dendrogram distributions with higher statistical moments. Application of the dendrogram to three-dimensional density cubes, also known as position–position–position (PPP) cubes, reveals that the dominant emission contours in PPP and PPV are related for supersonic gas but not for subsonic. We also explore the effects of smoothing, thermal broadening, and velocity resolution on the dendrograms in order to make our study more applicable to observational data. These results all point to hierarchical tree diagrams as being a promising additional tool for studying ISM turbulence and star forming regions for obtaining information on the degree of self-gravity, the Mach numbers and the complicated relationship between PPV and PPP data.
Memo
- min_deltaがデータキューブの平均値をわずかに上回る程度では音速の違いによって構造の数はほとんど変化しないが、平均値を大きく超えると音速の違いで構造の数が大きく変化し、超音速のほうが構造の数が増加する
- min_deltaがデータキューブ平均値を超える領域でのmin_deltaと構造数のプロットにはパワーローがみられ、亜音速シミュレーションの傾斜は超音速と比べとても急になるが、これは衝撃波による密度の増強がないために亜音速では高密度領域が作られづらいためである
- 磁場が大きいとプロットの傾きはより急になる
- 最大のbranch内部にあるleafの数は、亜音速よりも超音速のほうが、また磁場が大きいほど多くなった
- 衝撃圧縮が磁場に平行な場合、クランプは磁場に垂直に押しつぶされ密度コントラストがさらに大きくなるが、圧縮が磁場に平行な場合、圧縮に対する磁気圧が高くクランプはそれほど圧縮されない
- 自己重力を含むシミュレーションはそうでないものとくらべ構造や階層の数が増加したが、min_delta-構造数プロットのパワーローの傾きに違いはなかった
- 超音速乱流シミュレーションにて、PPP密度空間のdendrogram構造はPPV密度空間の構造と非常に似ていたが、亜音速乱流の場合似ていない
- 解析データのスムージングによってショックやクランプが滑らかになるためdendroアルゴリズムの識別がより困難になるが、亜音速乱流や低重力下の場合はガスが拡散し階層が少なくなるためスムージングの有無による違いは少なくなる
- スムージングのレベルが増加するにつれてdendro構造の数が減少するが、パラメータに関する傾向は変化しない
- PPVデータの速度分解能が低下するにつれて、サブ構造の数が減少した
- 超音速乱流の存在下でより多くの階層構造が作られ、自己重力を含めることでこれらの傾向が強化される
- 雲が階層的なほど超アルベーン的であることが示唆される
- 観測にastrodendroを適用する際は、構造は速度分解能やスムージングに依存するため、乱流に関する情報が手元にある、基準となるデータの構造が必要であると考えられる