An Origin of Radially Aligned Filaments in Hub-filament Systems
Recent observations have identified hub-filament systems (HFSs) as the primary formation sites of massive stars and star clusters. Some HFSs are characterized by multiple filaments aligned radially toward a central high-density hub. However, the physical origin of radially aligned filaments remains unknown. Here, we propose a new formation mechanism of HFSs driven by the interaction of a fast magnetohydrodynamic shock with a molecular cloud characterized by an hourglass-shaped magnetic field and density inhomogeneity. Our three-dimensional magnetohydrodynamic simulations show that the shock propagation leads to the formation of radially aligned filamentary structures with line masses slightly above the thermally critical line mass and lengths of 1–3 pc and widths of 0.06−0.08 pc. High-density filamentary gas () selectively exhibits inward velocities of 1–4 km s−1 that increase toward the hub center, while the ambient low-density interfilament gas retains low velocities regardless of the radius. Mass accretion onto the hub is channeled through dense filaments. The filament formation is driven by oblique shocks generated at the bent magnetic field lines. The resulting postshock amplification of the tangential magnetic field induces a magnetically guided inflow. The shock–interface interaction amplifies density perturbations, resembling Richtmyer–Meshkov instability modes, which promotes the fragmentation of the shocked layer into multiple filaments. The process studied in this Letter explains both the morphology of radially aligned filaments and the selective mass accretion observed in HFSs. In our simulation, the resulting star formation efficiency (SFE) is ∼4%, suggesting that the shock-driven evolution limits the SFE to only a few percent.
Memo
- 行われた流体シミュレーションによると、砂時計型の磁場と、乱流由来の微小な密度不均一性のある分子雲に、上から衝撃波が達したとき、HFSが生じる
- 雲が衝撃波に対し斜めに分布していても、全体的な対称性は薄れるもののHFSは変わらず形成される
- DisPerSEで同定したフィラメントの柱密度はAndré et al. (2010) の星形成閾値を超えており、活発な星形成が可能な高密度フィラメント網であった
- 速度分布から、作られる構造においては質量降着は雲全体から一様に起きるのではなく、高密度フィラメントを通じて選択的にハブへ集中するという描像が示される
- 衝撃波が湾曲磁場に斜めにぶつかると磁力線が屈折・増幅され、ポストショックガスがその磁力線に沿って流れ始めることで、動径方向に整列したフィラメントが形成される
- 乱流由来の初期の微小な密度ゆらぎが衝撃波衝突でRM不安定性的に増幅し、z軸方向に波打ち構造が成長(山=フィラメント)、磁場の屈折によりガスが尾根へ収束して、複数の動径整列フィラメントが同時形成される
- 衝撃波通過直後に高密度フィラメントだけが選択的に流入を示しており、またハブの自己重力がなくともPV図がV字構造を示したことから、フィラメントからハブへのガス流入は自己重力ではなく衝撃波・磁場相互作用が主因であると考えられる
- 偏光観測では大質量星形成領域のHFSにおいて、磁場がフィラメントに平行なケースと垂直なケースの両方が報告されていたが、このシミュレーション結果は実は同じ物理メカニズムでも視線方向次第でどちらにも見えるという非常にシンプルな説明を与えている
- シンク粒子から見積もられたSFEは観測と整合的に低く抑制されており、これは低密度ガスが中心高密度領域への質量供給に参加しにくいためと考えられる