Astroph更新

[间歇性吸积对低质量恒星形成的影响]

(本文为AstroLeaks试稿第12篇,感谢南开大学秦雨静同学的投稿,这是我们收到的第一篇本科生投稿,也是第一篇评述数值模拟工作的文章,秦同学把一篇含有大量公式和理论介绍的文章总结的很好,作为一位非天文专业的本科生,让我们十分有压力;我们也借此希望各位本科同学也能够积极自信的参与我们的讨论;欢迎就文章形式,难度,排版等各种问题发表您的意见!)

标题: The importance of episodic accretion for low-mass star formation
作者: Dimitris Stamatellos, Anthony Whitworth, David Hubber
论文索引: astro-ph:1103.1378
编辑供稿: 秦雨静 ( 南开大学 )

文章介绍:

恒星形成的过程对于星系的演化有极为显著的影响。通常对恒星形成的观测集中在恒星形成率恒星形成历史两个方面。恒星形成率与星系中的气体含量相关,也受到星系正在经历的动力学过程的显著影响;而恒星形成历史则与星系的形成与演化相关。对两者进行评估,均依赖对恒星形成的初始质量函数( Initial mass function, IMF )的准确建模。

吸积对恒星形成过程起到决定性的作用。在此过程中,气体先落入吸积盘,角动量向外转移使得气体逐渐落入原恒星.如果吸积盘将角动量向外转移的效率较低,则大量气体会堆积在吸积盘中,吸积盘则可能在引力不稳定性的作用之下瓦解,并形成低质量恒星,甚至褐矮星及行星质量的天体.这种理论能较好地解释目前的观测结果。

吸积的过程中,还必须考虑原恒星对吸积的反馈(Feedback)作用. 气体落入吸积盘并最终堆积在原恒星的过程中,大量引力势能转化为热能, 故原恒星的光度可以表征其吸积率. 当吸积光度较高时,吸积盘中的气体被加热, 引力不稳定性导致的瓦解塌缩因此而受到抑制. 部分学者考虑吸积光度的影响, 模拟显示形成的低质量恒星远少于观测. 这也为低质量恒星的形成理论提出挑战.

过去的学者主要注重于连续的吸积过程对于恒星形成的影响. 但是,诸多证据表明吸积的过程很可能是间歇性的.吸积阶段, 原恒星的光度显著提高, 辐射反馈使得吸积盘稳定而不至于瓦解. 间歇期内,原恒星的光度较低, 而吸积盘则可能再此期间冷却, 并在引力不稳定性的作用下解离. 间歇性的吸积以及与之相随的辐射反馈过程, 限制了低质量恒星,棕矮星和行星级别天体的形成。

作者认为,间歇吸积的频率和间隔对初始质量函数的低质量端能产生很大的影响.为分析辐射反馈和间歇性吸积所产生的影响,作者利用SPH(Smoothed-particle hydrodynamics)模拟的方法分析了三种情况: 持续性吸积, 持续性吸积+持续的辐射反馈, 间歇性吸积+间歇的辐射反馈.

文章介绍:

1. 初始质量函数(Initial mass function, IMF): 恒星形成时的质量分布函数. 常用的初始质量分布函数有Salpeter, Kroupa等模型, 但总体的特征都是倾向低质量端. 初始质量函数是统计性意义上的分布, 涉及到恒星形成过程中极其复杂的过程, 因此依赖于诸多参数, 例如辐射转移过程, 冷却模型, 吸积盘本身的动力学过程和多个恒星的多体动力学过程. 目前Pop IIIIMF尤其是争论的热点.

2.Sink Particle: SPH模拟恒星与行星形成中常用的方法. 气体坍缩成原恒星并吸积增长, 如果继续用大量气体粒子代替成长中的原恒星, 不仅不能保证计算精度(时间和空间解析度不足), 而且会增加不必要的计算量. 为了解决这个问题, 模拟过程中利用球形区域代表原恒星及其邻域, 这个球形空间即为sink particle. 它可以通过”吸附”气体粒子的来增加质量, 而它与外界的相互作用只包括引力和辐射. sink particle这种方法不仅可以节约计算力,还可以灵活地调节吸积率与反馈的光度.

3. 原恒星吸积盘结构: 在作者采用的理论模型中, 吸积盘被划分为内部吸积盘和外部吸积盘两部分. 在这两部分, 角动量的转移的主导机制是不同的. 内吸积盘温度较高, 角动量转移机制中主导为磁旋转不稳定性(MRI);而外吸积盘温度较低, 因此引力不稳定性起主导作用. 引力不稳定性不仅可以使吸积盘瓦解形成低质量天体,还是角动量转移的重要机制(通过引力转矩).

当外层吸积盘向内迁移气体较多时, 内层吸积盘的温度逐渐提高直至触发磁旋转不稳定性, 此后吸积率显著提高(爆发式吸积), 吸积光度随之提高. 辐射反馈加热并稳定吸积盘, 抑制了引力不稳定性导致的吸积盘瓦解过程. 当内层吸积盘中的多数物质落入原恒星之后, 内层盘的温度降低, 磁旋转不稳定性失效. 此后吸积盘继续向内转移气体,直到下一轮吸积过程. 吸积率较低的阶段, 外层吸积盘若足够冷则可以在引力不稳定性的作用下瓦解.

模拟方法:

作者利用SPH代码SEREN模拟了间歇性吸积对低质量天体形成的影响. 这个代码中, 作者考虑了辐射转移, 原恒星的辐射反馈, 并利用sink particle.吸积的过程部分采用了半解析的模型, 内层吸积盘(IAD)被包括在sink particle之内. 当内层吸积盘的温度足够高的时候, 则触发磁旋转不稳定性, 角动量向外迁移而物质落入原恒星中. 半解析模型中原恒星质量的增长分为两部分: MRI导致的间歇性吸积, 持续的低水平吸积.

内层吸积盘的温度如果达到磁旋转不稳定性的阈值温度(1400K)时, 则触发爆发式吸积. 此时吸积率与Shakura-Sunyaev(两只偶像级神牛啊 – -)参数α相关. 爆发式吸积持续的时间不仅与Shakura-Sunyaev参数相关, 还与原恒星质量和内层吸积盘从外层吸积盘获取气体的速率相关.

但是半解析模型中并不包括内层吸积盘温度这项. 此处采用质量判据, 当外层吸积盘的质量大于爆发式吸积阶段的吸积率与持续时间之积时, 则触发吸积过程. 内层吸积盘的电离平衡与热平衡因为属于次要因素,所以并没有建模.
爆发式吸积过程中, 吸积率也是逐渐变化的. 依据对FU Ori的观测, 此处采用指数衰减的模型. 而内层吸积盘积累气体的时间, 则用阈值质量与内层吸积盘从外界获取气体速率之商. 依据计算, 这个时标显著地长于吸积的时标. 因此, 在整个半解析模型中, 自由的参数比较少,而最重要的则是Shakura-Sunyaev参数. 依据对FU Ori的观测,参数的值被设定为0.1.(简洁明了的模型,赞!)

主要结果:

1.单纯持续性吸积: 此时吸积盘的温度较低, 引力不稳定性的作用显著. 距离原恒星50AU之外, 线性不稳定的过程尤为明显. 这个过程中吸积盘瓦解形成7个低质量天体.


fig1

Fig.1: 单纯持续吸积下的吸积盘演化,围绕着主要原恒星的吸积盘质量增加,因为引力不稳定而碎裂,形成3颗低质量恒星,2颗褐矮星和两个恒星质量天体. 图示颜色代表气体密度取对数.

2.持续性吸积+持续的辐射反馈: 辐射反馈导致吸积盘被加热, 引力不稳定性受到抑制, 因此吸积盘不发生瓦解. 吸积盘中形成低幅度的密度波, 将角动量持续地向外迁移. (见下图)


fig2

Fig.2: 持续吸积+持续的辐射反馈下的吸积盘演化,辐射反馈过程使得吸积盘保持高温而不会碎裂. 图示颜色代表气体密度取对数.

3.间歇性吸积+间歇性辐射反馈: 吸积阶段辐射反馈作用下, 吸积盘被暂时性地加热并稳定. 随着原恒星质量增长, 触发磁旋转不稳定性的阈值质量也随之提高, 伴随着内层吸积盘从外界获取质量速率的下降. 因此, 间歇期时间越来越长. 若间歇期足够长, 则外层吸积盘得以充分冷却, 并在引力不稳定性的作用下瓦解. 这个模拟中, 形成的低质量天体数量远小于单纯持续吸积, 只形成两个低质量恒星. (见下图,模拟动画的链接在此)


fig3

Fig.3: 间歇性吸积+间歇性辐射反馈的结果, 处于吸积间歇期的吸积盘在引力不稳定性的作用下有瓦解倾向, 但是在84kyr时爆发式吸积导致的辐射反馈式的吸积盘暂时得以稳定. 随后吸积停止,吸积盘继续冷却, 在85kyr时吸积盘瓦解形成两个低质量天体. 图示颜色代表气体密度取对数.

简单讨论:

通过对比三种不同情况的模拟结果,作者得出结论:

  • 1. 决定吸积盘是否瓦解的关键因素在于间歇期时间的长度. 间歇期足够长, 吸积盘才可能冷却并且瓦解成低质量的天体.
  • 2. 承上, 低质量恒星丰度或许与恒星形成的环境相关. 致密的分子云内吸积率较高, 则间歇期会较短, 难以通过吸积盘瓦解形成低质量恒星.
  • 3. 综上所述, 若吸积盘的瓦解是低质量恒星形成的主要机制, 则间歇性的吸积或许对质量分布函数的低质量端产生显著的影响.
  • 延伸阅读:

  • 1. 建议了解SunyaevShakura的传奇经历
    俄裔天文学家做出过诸多显著的贡献.例如, 星协, 星族, 原恒星, 原星系(这个概念只存在于早期文献中)等概念均为俄国天文学家提出. 其中,Sunyaev和Shakura是两位杰出的代表.( 还有传奇的Zeldovich, SZ效应的那个Z, 也值得了解)
  • 2. 本文的参考文献 Zhu et al. 2009a,对间歇性吸积的起源做了详细的描述.
  • 3. 参考文献Zhu et al. 2007, 对FU Ori的观测.这个是本文重要的理论与观测依据. 建议有兴趣的同学精读.
  • 4. 关于SPH方法不错的综述, 对模拟技术有兴趣可以研读一下.
  • 5. Mark Krumholz关于恒星形成率的SETI Talk (YouTube链接)
  • 6. McKee & Ostriker 关于恒星形成理论的ARAA综述(推荐)
  • 7. Jonathan Tan关于恒星形成一般理论的会议报告
  • 8. 关于Pop III恒星的质量和初始质量函数
  • 9. 关于两种吸积模型的简单总结
  • Advertisements

    About astroleaks

    blog for Chinese astronomy and astrophysics students to share their interest, idea and experience.

    讨论

    8 thoughts on “[间歇性吸积对低质量恒星形成的影响]

    1. 文章,结构合理,条理清晰,内容简洁且丰富。赞作者

      Posted by ywwu119 | 五月 11, 2011, 9:34 下午
    2. 赞一个!

      Posted by Bo Ma | 五月 2, 2011, 12:47 下午
    3. 赞一下,榜样呀!

      Posted by brandi | 四月 25, 2011, 3:23 下午
    4. 听星系吸积盘听的太多了,来听听小正太讲恒星吸积盘

      Posted by Hou, Lei | 四月 25, 2011, 10:20 上午
    5. 压力不是一般大。

      Posted by chentao | 四月 25, 2011, 10:12 上午
    6. 这个……的确相当有压力……

      Posted by zgy | 四月 25, 2011, 9:34 上午

    Trackbacks/Pingbacks

    1. Pingback引用通告: [间歇性吸积对低质量恒星形成的影响] (via 天文理科人 ~ AstroLeaks) « Sting's Home - 四月 26, 2011

    发表评论

    Please log in using one of these methods to post your comment:

    WordPress.com Logo

    You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / 更改 )

    Twitter picture

    You are commenting using your Twitter account. Log Out / 更改 )

    Facebook photo

    You are commenting using your Facebook account. Log Out / 更改 )

    Google+ photo

    You are commenting using your Google+ account. Log Out / 更改 )

    Connecting to %s

    %d 博主赞过: