Why is the Star Formation Rate Proportional to Dense Gas Mass?
One of the most profound empirical laws of star formation is the Gao–Solomon relation, a linear correlation between the star formation rate (SFR) and the dense molecular gas mass. It is puzzling how the complicated physics in star formation results in this surprisingly simple proportionality. Using archival Herschel and Atacama Large Millimeter/submillimeter Array observations, we derived the masses of the most massive cores () and masses of the gravitationally bound gas () in the parent molecular clouds for a sample of low-mass and high-mass star-forming regions. We discovered a significant correlation of . Our discovered – correlation can be approximately converted to the Gao–Solomon relation if there is (1) a constant 30% efficiency of converting to the mass of the most massive star (), and (2) if the SFR and are tightly related through . Intriguingly, both requirements have been suggested by previous theoretical studies. Based on this result, we hypothesize that the Gao–Solomon relation is a consequence of combining the following three nontrivial relations (i) SFR versus , (ii) versus , and (iii) versus . This finding may open a new possibility to understand the Gao–Solomon relation in an analytic sense.
Memo
- Gao–Solomon関係が銀河スケールだけでなく個々の分子雲・クランプスケールでも線形に成り立つという事実は、重力束縛度・乱流特性・フィードバック強度などが大きく異なる自己重力系において、なぜ高密度分子ガスから星への変換効率がほぼ普遍的に一定に保たれるのか、という物理的起源が未解明であることを示している
- 分子雲における最大コア質量は、観測誤差を考慮しても、親となる重力的に束縛されたガス質量と強く相関している
- 最大星の質量が雲全体の星形成率を決定し、その最大星の質量が最大コア、さらに親ガス質量によって制限されると考えると、Gao–Solomon関係は確率論に頼らず自然に導かれる
- 重力的に束縛されたガス質量から最大星質量を介してSFRを推定すると、分子雲スケールでもGao–Solomon関係と同じ線形関係が再現されたが、その背後にあるSFR–最大星質量関係がなぜスケールを超えて成り立つのかは未解明である
- SFR–Mgasbound 関係がGao–Solomon関係と一致することは、重力が支配的な条件下では星形成が強く自己調整され、その結果として高密度ガス質量に比例した普遍的な星形成率が、分子雲から銀河スケールにわたって実現している可能性を示唆する
- 近傍分子雲の最大コア質量分布を、コア質量関数（CMF）を仮定した確率的サンプリングのモンテカルロシミュレーションと比較した結果、ランダムサンプリングでは観測されるMcoremax–Mgasbound 関係の散らばりを再現できず、最大コア質量は確率効果ではなく雲スケールの物理によって制御されていることが示唆された
- TaurusおよびPerseus分子雲を含む近傍雲サンプルに対して、コア質量関数（CMF）の確率的サンプリングを仮定したモンテカルロシミュレーションと比較した結果、観測された最大コア質量は期待される値より系統的に小さく、かつ散らばりも有意に小さいため、最大コア質量はランダム形成ではなく各分子雲の物理条件によって上限が制御されていることが強く示唆された
