Abstract

Star formation is inefficient. Only a few per cent of the available gas in molecular clouds forms stars, leading to the observed low star formation rate (SFR). The same holds when averaged over many molecular clouds, such that the SFR of whole galaxies is again surprisingly low. Indeed, considering the low temperatures, molecular clouds should be highly gravitationally unstable and collapse on their global mean freefall time-scale. And yet, they are observed to live about 10–100 times longer, i.e. the SFR per freefall time (SFRff) is only a few per cent. Thus, other physical mechanisms must counteract the quick global collapse. Turbulence, magnetic fields and stellar feedback have been proposed as regulating agents, but it is still unclear which of these processes is the most important and what their relative contributions are. Here, we run high-resolution simulations including gravity, turbulence, magnetic fields and jet/outflow feedback. We confirm that clouds collapse on a mean freefall time, if only gravity is considered, producing stars at an unrealistic rate. In contrast, if turbulence, magnetic fields and feedback are included step-by-step, the SFR is reduced by a factor of 2–3 with each additional physical ingredient. When they all act in concert, we find a constant SFRff = 0.04, currently the closest match to observations, but still about a factor of 2–4 higher than the average. A detailed comparison with other simulations and with observations leads us to conclude that only models with turbulence producing large virial parameters, and including magnetic fields and feedback can produce realistic SFRs.

Memo

  • 分子雲で利用可能なガスのうち、星を形成するのはわずか数パーセントで、分子雲や銀河全体の観測でみられる低い星形成率(SFR)につながっている
  • Price & Bate (2007)やHennebelle & Teyssier (2008)によるシミュレーション研究は、磁場が小さなスケールでの断片化を抑制し、したがって星の初期質量関数の形状に影響を与えることを示唆した
  • 重力のみを含むシミュレーションの場合、観測と同じく、ガスは絶えず密なフィラメントに落ち、星は特にフィラメントが交差する場所に形成されるが、観測のほうがフィラメント間のガスは乱流により乱れている
  • 重力のみのシミュレーションの場合、t = 0.61tffですでにSFE = 20 %を達成しており、現実的でない
  • 重力+乱流を含むシミュレーションでは、SFE = 20 %に達する時間がt = 1.31tff = 1.5 Myrに増加するが、SFRは観測より1桁大きい
  • 重力+乱流+磁場を含むシミュレーションでは、SFE = 20 %に達する時間がt = 2.91tff = 3.4 Myrに増加し、SFRも2~3倍減少しているが、いまだSFRの値は観測値よりかなり大きい
  • 重力+乱流+磁場を含むシミュレーションでは実際の分子雲でみられる空間的・形態的特徴をよく再現している
  • フィードバックが追加されたシミュレーションでは、SFE = 20 %の到達時間はt = 6.5tff = 5.6 Myrとなり、SFRはさらに2倍減少する
  • フィードバックのあるシミュレーションでは、そうでないシミュレーションと比べ古い星がより広範囲に存在する(新しい星はどちらも高密度領域に密集している)
  • フィードバックモデルではSFRはt ~ 4.0 Myrまでゆっくり増加、t ~ 5.3 Myrまで1桁オーダーで減少、その後一定となるが、これは星の増加によってフィードバックが増加しビリアルパラメータが減少し、星形成活動が抑制された結果フィードバックが減少して最終的に一定のSFRに落ち着くという流れを示している
  • この研究と同様に、Krumholz et al. 2012bやMyers et al. 2014のシミュレーションでは乱流や磁場、フィードバックによってSFRを2~3倍減少させる結果となったが、Price and Bate 2009によるシミュレーションによれば放射加熱はSFRを20%未満にしか減少させない
  • Wang et al. 2010のシミュレーションではこの研究と比べ強い乱流と磁場により星形成がより低い速度で行われたと考えられる
  • 分子雲における典型的な乱流および磁場のレベルが、これまで考えられていたよりも高い可能性があり、強い乱流、強い磁場、機械的および放射的フィードバックの組み合わせのみが、観測と一致する現実的なSFRを生成できると考えられる
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