THE STAR FORMATION RATE OF TURBULENT MAGNETIZED CLOUDS: COMPARING THEORY, SIMULATIONS, AND OBSERVATIONS
The role of turbulence and magnetic fields is studied for star formation in molecular clouds. We derive and compare six theoretical models for the star formation rate (SFR)—the Krumholz & McKee (KM), Padoan & Nordlund (PN), and Hennebelle & Chabrier (HC) models, and three multi-freefall versions of these, suggested by HC—all based on integrals over the log-normal distribution of turbulent gas. We extend all theories to include magnetic fields and show that the SFR depends on four basic parameters: (1) virial parameter αvir; (2) sonic Mach number ; (3) turbulent forcing parameter b, which is a measure for the fraction of energy driven in compressive modes; and (4) plasma with the Alfvén Mach number . We compare all six theories with MHD simulations, covering cloud masses of 300 to 4 × 106 M☉ and Mach numbers –50 and –∞, with solenoidal (b = 1/3), mixed (b = 0.4), and compressive turbulent (b = 1) forcings. We find that the SFR increases by a factor of four between and 50 for compressive turbulent forcing and αvir ∼ 1. Comparing forcing parameters, we see that the SFR is more than 10 times higher with compressive than solenoidal forcing for simulations. The SFR and fragmentation are both reduced by a factor of two in strongly magnetized, trans-Alfvénic turbulence compared to hydrodynamic turbulence. All simulations are fit simultaneously by the multi-freefall KM and multi-freefall PN theories within a factor of two over two orders of magnitude in SFR. The simulated SFRs cover the range and correlation of SFR column density with gas column density observed in Galactic clouds, and agree well for star formation efficiencies SFE = 1%–10% and local efficiencies ϵ = 0.3–0.7 due to feedback. We conclude that the SFR is primarily controlled by interstellar turbulence, with a secondary effect coming from magnetic fields.
Memo
- 超新星や恒星フィードバックによる乱流で引き起こされる密度変動はマッハ数が大きいほど大きくなり、磁化が大きいほど磁化圧により小さくなる
- すべてのモデルで、ビリアルパラメータが増加するとSFR_ffが減少する
- SFR_ffは磁気エネルギーが減少する(βまたはM_Aが増加する)と増加するが、これはガスを支える磁気圧が減少するためと考えられる
- バブル膨張によって星間物質に注入される運動エネルギーは、観測されている速度分散を再現する運動エネルギーの2/3を占める(Lee et al. 2012)
- 乱流による密度増加をはじくため、シンク粒子の生成条件にはそのセルが重力的にバウンドしているなどの条件が必要である
- シミュレーションにおいて、磁場存在下では磁気圧力がクッションとして働き柱密度が減少する
- 磁場存在下では断片化が進まず、ガスのフラグメンテーションが減少する
- 磁場存在下ではSFE=20%時点でのシンク粒子数が減少する
- 磁場存在下では特定のSFEに至るまで時間がかかる
- 磁場は特に高密度コアで非常に強くなるが、向きは断続的に変化する
- シミュレーションの一部は解像度を上げることで理論モデルによりよく一致する
- シミュレーションにはYSOからのフィードバックが含まれていないため、観測よりも高いΣSFRを示す
- シミュレーションよりもΣSFEが低い分子雲ではより強い磁場圧が働いている可能性がある
- ΣSFR ∝ Σgas^Nのべき乗則のNの値は、シミュレーションや銀河系観測の値が系外銀河観測の値よりも大きく、これは解像度の違いによるものと考えられる
- あるΣgasに対するΣSFRの散らばりは異なる物理状態を反映している
- 現在のSFRffの解析理論においてはガス密度に完全なPDFを仮定しており、等温乱流に対してはこれは正しいが、圧縮や高いマッハ数に対しては歪みが大きくなる
- 星形成が進んだ雲のPDFは尾にpower lawを形成するが、これが星形成に影響を与えているわけではなく、むしろ星形成の結果である
- αvirの形式は均一な流体球においてのみ成り立つので、乱流を含むフラクタル構造を持つ分子雲においてはαvir,。とは一桁以上の不一致がみられる、ただし
- 周期境界条件雲と単一流体球雲のそれぞれでSFRffは解析モデルとの良い一致を示すので、異なる境界条件はSFRffの解析結果にそこまで大きな影響を与えないと考えられる
- 小さなスケールではSFEが高くなる傾向にある(McKee & Ostriker 2007)