Hierarchical Bayesian analysis of the velocity power spectrum in supersonic turbulence
湍流是天体物理环境中几乎所有尺度的气流的主要特征。因此，准确地估计这种流动的统计特性是必要的，以发展一个全面的理解湍流。我们开发并采用分层贝叶斯拟合方法来估计参数描述的超声速湍流的速度功率谱的标度关系。我们证明了这种技术的准确性和其他优点相比，普通的线性回归方法。使用合成功率谱，我们表明，贝叶斯方法提供了准确的参数和误差估计。常用的正态线性回归方法可以提供无法恢复基础斜率的估计，高达70%的情况下，即使考虑2std.dev。不确定性此外，我们还应用贝叶斯方法分析了三维数值模拟中可压缩湍流的统计特性。我们在高超声速区域M~15中用均方根马赫数模拟了驱动的等温湍流。我们研究的影响，纯螺线管（发散自由）和纯压缩（卷曲自由）迫使功率谱的标度指数。在螺线管强迫和1024^3分辨率的模拟中，我们的结果表明，不存在具有恒定标度指数的扩展惯性范围。瓶颈效应的结果在弯曲的功率谱在所有的波数和更明显的横向模式相比，纵向模式。因此，与压缩流相比，螺线管强迫驱动的静止湍流中的这种效应更强。压缩强迫驱动的纵向谱是唯一具有恒定标度指数z =-1.94 +-0.01的谱，对应于比Burger预测的略浅的斜率。
2014-11-24 astro-ph.SR
The driving mode of shock-driven turbulence
星际介质中的湍流在恒星形成过程中起着至关重要的作用。超新星爆炸、喷流、大质量恒星辐射或星系旋臂动力学产生的冲击是ISM中最常见的湍流驱动因素。然而，人们还没有完全理解激波是如何驱动湍流的，特别是激波驱动是更螺线管（旋转，无发散）还是更压缩（潜在的，无卷曲）的驱动湍流模式。湍流驱动模式对恒星形成有深远的影响，压缩驱动产生三倍大的密度色散，恒星形成率比螺线管驱动高一个数量级。在这里，我们使用流体动力学模拟的冲击诱导湍流运动的结构化，多相介质。这是在激光诱导冲击的背景下进行的，传播到泡沫材料中，为在国家点火装置（NIF）进行的实验做准备。具体地说，我们分析了激波湍流介质中的密度和速度分布，并利用密度色散$σ_{ρ/ \langle ρ\rangle}$、湍流马赫数$\mathcal{M}$和多变指数$Γ$测量了湍流驱动参数$b=(σ^{2 Γ}_{ρ/\langle ρ\rangle}-1)^{1/2} (1-σ_{ρ\langle ρ\rangle}^{-2})^{-1/2}\mathcal{M}^{-1}Γ^{-1/2}$。纯螺线管驱动和纯压缩驱动分别对应于$b \sim 1/3$和$b \sim 1$。使用模拟中，冲击驱动到一个多相介质的结构不同的大小和$Γ< 1$，我们发现$b \sim 1$的所有情况下，表明冲击驱动的湍流是一致的强压缩驱动。
2022-05-28 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
On the universality of supersonic turbulence
可压缩湍流塑造了我们银河系星际介质的结构，并且在早期宇宙的结构形成过程中也可能发挥重要作用。这种可压缩的超音速湍流的密度PDF和功率谱是恒星形成理论的关键成分。然而，PDF和频谱仍然是一个有争议的问题，因为理论预测是有限的，超音速湍流的模拟需要巨大的分辨率来捕捉惯性范围缩放。为了提高我们有限的知识，可压缩湍流，我们在这里提出和分析世界上最大的模拟超音速湍流。我们比较了具有256^3-4096^3网格点的数值分辨率和两种不同驱动机制（螺线管（无发散）驱动和压缩（无卷曲）驱动）的流体动力学模型。我们发现收敛的密度PDF，压缩驱动表现出更广泛和更间歇的密度分布比螺线管驱动。通过分析湍流的功率谱，我们发现在马赫数为17的流体动力学模拟中，两种驱动模式的纯速度标度都接近于Burgers湍流，P（v）k^（-2）。然而，密度加权速度ρ ^（1/3）v的谱并不能提供先前提出的超音速湍流的普遍标度。我们发现，功率谱P（rho^（1/3）v）与波数成比例，对于螺线管驱动，k^（-1.74）接近不可压缩柯尔莫哥洛夫湍流，k^（-5/3），但对于压缩驱动，k^（-2.10）明显更陡。我们表明，这与最近的可压缩湍流理论模型是一致的，该模型预测了在存在由压缩驱动产生的强div（v）分量的情况下P（rho^（1/3）v）k^（-19/9），并且在整个超音速湍流叶栅中保持显著恒定。
2013-09-24 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
The link between solenoidal turbulence and slow star formation in G0.253+0.016
星系盘中的恒星形成主要受重力、湍流和磁场控制。目前尚不清楚这是否也适用于银河系中心附近的恒星形成。在这里，我们确定的湍流和恒星形成的CMZ云G0.253+0.016。利用ALMA获得的3mm粉尘排放图和HNCO强度加权速度图，测量了体积密度方差$σ_{ρ/ρ_0} = 1.3 \pm 0.5$和湍流马赫数$\mathcal{M} = 11 \pm 3$。结合湍流模拟来约束等离子体$β= 0.34 \pm 0.35$，我们重建了G0.253+0.016中的湍流驱动参数$b = 0.22 \pm 0.12$。$b$的这一低值表明G0.253+0.016中湍流的螺线管（无发散）驱动。相比之下，银河系盘和旋臂中的典型云具有显著的压缩（无卷曲）驱动分量（$b > 0.4$）。我们推测剪切导致G0.253+0.016中的螺线管驱动，并表明这可能会使恒星形成率降低7倍。
2016-09-28 astro-ph.GA astro-ph.SR
A new method for spatially resolving the turbulence driving mixture in the ISM with application to the Small Magellanic Cloud
本文提出一种利用滑动核从柱密度和质心速度图恢复湍流驱动参数的新方法，应用于小麦哲伦云GASKAP-HI观测，发现其中值b≈0.51，表明湍流总体更偏向压缩驱动，且b与HI或Hα强度无相关性。
2023-09-19 astro-ph.GA astro-ph.SR
Turbulence driving in a star-forming Milky-Way-type galaxy
Research School of Astronomy and Astrophysics, Australian National University（澳大利亚国立大学天文与天体物理研究学院）
研究银河系类似星系中湍流驱动机制，通过模拟发现湍流驱动参数b随时间波动，并与恒星形成活动存在时间依赖性关联。
2026-01-04 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
The Star Formation Rate of Turbulent Magnetized Clouds: Comparing Theory, Simulations, and Observations
我们推导并比较了六个理论模型的恒星形成率（SFR）-Krumholz和麦基（KM），Padoan和Nordlund（PN），和Hennebelle和Chabrier（HC）模型，和三个多自由落体版本，这些建议HC -所有的基础上积分的对数正态分布的湍流气体。我们将所有的理论扩展到包括磁场，并表明SFR取决于四个基本参数：（1）维里参数α_vir;（2）音速马赫数M;（3）湍流强迫参数b，它是压缩模驱动能量的分数的度量;（4）等离子体β =2（M_A/M）^2，具有阿尔芬马赫数M_A。我们将所有六种理论与MHD模拟进行了比较，模拟范围包括300到4 × 10^6太阳质量的云，马赫数M = 3到50，M_A = 1到无穷大，螺线管强迫（b=1/3），混合强迫（b=0.4）和压缩湍流强迫（b=1）。我们发现，SFR增加了4倍之间的M=5和50的压缩强迫和alpha_vir~1。比较强迫参数，我们看到，在马赫数为10的模拟中，压缩强迫的SFR比螺线管强迫高出10倍以上。SFR和碎片都减少了两个因素，在强磁化，trans-Alfvenic湍流相比，流体动力学湍流。所有的模拟同时适合多自由落体KM和多自由落体PN理论在一个因素的两个以上的两个数量级的SFR。模拟的SFR涵盖的范围和相关性的SFR柱密度与气体柱密度在银河系云中观察到的，并同意良好的恒星形成效率SFE = 1%至10%和本地效率的…
2012-11-07 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.SR
Investigations of Protostellar Outflow Launching and Gas Entrainment: Hydrodynamic Simulations and Molecular Emission
我们调查原恒星外流演化，气体夹带，恒星形成效率使用辐射流体动力学模拟孤立，湍流低质量的核心。我们采用X风发射模型，其中的流出速率耦合到瞬时的原恒星吸积速率和演化。我们改变流出准直角从$θ$ =0.01-0.1，并发现，即使是很好的准直流出有效地扫过和夹带显着的核心质量。第0阶段的寿命范围为0.14-0.19百万年，这与观察到的0级寿命相似。核心的恒星形成效率介于0.41-0.51之间。在所有情况下，流出物在周围材料中驱动强烈的湍流。虽然最初的核心湍流是纯粹的螺线管的建设，模拟收敛到螺线管和压缩运动之间的近似均分，由于外流驱动和崩溃的组合。当一个集群的原恒星，这不是引力集中凝聚的模拟相比，我们发现，外流驱动器的运动，主要是螺线管。最后的湍流速度分散的核心的初始值的两倍左右，表明一个单独的外流是很容易能够补充湍流运动的次秒差距尺度。我们后处理的模拟，以产生合成的分子线发射图的$^{12}$ CO，$^{13}$ CO，和C $^{18}$ O和评估如何以及这些示踪剂重现的基础质量和速度结构。
2014-01-16 astro-ph.SR
Properties of magnetohydrodynamic modes in compressively driven plasma turbulence
我们研究磁流体动力学（MHD）本征模式的性质，通过将MHD模拟的数据分解成线性MHD模式-即Alfven，慢磁声和快磁声模式。我们用螺线管和压缩驱动的混合物驱动湍流，同时改变阿尔芬马赫数（MA）、等离子体β和从亚音速到跨音速的音速马赫数。我们发现，模式混合中的快，慢模式的比例增加，增加压缩力。磁声模式的这一比例也可以成为模式混合中的主要部分。利用结构函数分析了模式的各向异性。Alfven模各向异性与Goldreich-Sridhar理论一致。当我们从低到高MA时，我们发现从弱到强的Alfvenic湍流的过渡。慢速模式属性类似于Alfven模式。另一方面，各向同性性质的快模式的情况下，其中快模式是一个显着的分数的模式混合验证。快模行为在从低MA到高MA的过程中没有表现出任何转变。我们发现有迹象表明，有一些不同的模式之间的相互作用和主导模式的属性可以影响较弱的模式的属性。这项工作确定的条件下，磁声模式可以是一个主要部分的湍流天体物理等离子体，包括制度的弱湍流。讨论了宇宙线输运和磁重联的重要天体物理意义。
2020-05-29 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Statistical properties of supersonic turbulence in the Lagrangian and Eulerian frameworks
我们提出了一个系统的研究不同的强迫类型的影响，超音速，等温湍流的统计特性的拉格朗日和欧拉框架。我们分析了一系列的高分辨率，流体动力学网格模拟与拉格朗日示踪粒子和检查螺线管（发散自由）和压缩（卷曲自由）迫使结构功能，其标度指数，和气体密度和速度增量的概率密度函数的影响。压缩驱动的模拟表明，在相同的均方根马赫数下，大部分耗散结构的密度对比度明显更大，更间歇的行为和更大的分形维数。我们证明了在积分范围内各阶拉格朗日和欧拉结构函数的绝对值只是均方根马赫数的函数，而与强迫无关。随着高斯分布的概率密度函数的速度增量在大尺度上的假设，我们推导出一个模型，描述这种行为。
2011-11-22 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
A new density variance - Mach number relation for subsonic and supersonic, isothermal turbulence
采用分辨率高达1024^3单元的流体动力学网格模拟系统，分析了亚音速和超音速等温驱动湍流中气体密度的概率密度函数（PDF）。我们进行了一系列的数值实验与均方根（r.m.s.）马赫数M范围从几乎不可压缩的亚音速（M=0.1）到高度可压缩的超音速（M=15）状态。我们研究了两种极端情况下的驱动机制的影响，通过施加一个纯粹的螺线管（发散自由）和一个纯粹的压缩（卷曲自由）强迫场来驱动湍流。我们发现，我们的测量符合线性关系的r.m.s.马赫数和密度分布的标准偏差在一个很宽的马赫数范围内，其中比例常数取决于强迫的类型。此外，我们提出了一个新的线性关系之间的标准偏差的密度分布和标准偏差的速度在可压缩模式，即可压缩分量的r.m.s.马赫数。在这种关系中的强迫的影响显着减少，这表明在可压缩模式的密度分布的标准偏差和速度的标准偏差之间的线性关系，独立的强迫，范围从亚音速到超音速制度。
2012-06-20 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.flu-dyn
First extragalactic measurement of the turbulence driving parameter: ALMA observations of the star-forming region N159E in the Large Magellanic Cloud
研究湍流的驱动模式对于描述湍流在各种天体物理环境中的影响具有重要意义。湍流的驱动模式由$b$参数化，它将气体密度PDF的宽度与湍流马赫数联系起来; $b\approx 1/3$、$1$和$0.4$分别对应于螺线管驱动、压缩驱动和自然混合驱动。在这项工作中，我们使用高分辨率（亚pc）ALMA $^{12}$ CO（$J$ = $2-1$），$^{13}$ CO（$J$ = $2-1$），和C $^{18}$ O（$J$ = $2-1$）对恒星形成区N159 E中的气态分子云的观测（Papillon星云）在大麦云云（LMC）提供了第一次测量湍流驱动参数在河外地区。我们使用的CO同位素的非局部热力学平衡（NLTE）分析，以构建气体密度PDF，我们发现这在很大程度上是对数正态的形状与一些间歇性的功能，表明偏离对数正态。我们发现密度PDF的对数正态部分的宽度与超音速湍流马赫数相当，从而得到$b \approx 0.9$。这意味着N159 E中湍流的驱动模式主要是压缩的。我们推测，压缩湍流可能已经供电的重力湍流碎片的分子气体，或由于压缩供电的H I流，导致ALMA观察到的分子丝在该地区的发展。我们的分析可以很容易地应用于研究本地以及高红移宇宙中的恒星形成区域的湍流驱动的性质。
2021-10-19 astro-ph.GA astro-ph.SR
Star formation in cloud cores -- simulations and observations of dense molecular cores and the formation of solar mass stars
恒星的形成是低效的。分子云数值模拟和理论模型的最新进展表明，星际湍流、磁场和恒星反馈的综合作用可以解释恒星形成的低效率。恒星的形成率对湍流的驱动模式非常敏感。螺线管驱动可能是更重要的中央分子区，相比更多的压缩驱动剂在螺旋上午云。理论和观测工作都在进行中，以确定不同银河系环境中湍流的主导驱动模式。ALMA与CARMA、JCMT和SMA等其他仪器相结合的新观测开始揭示致密核心和原恒星盘的磁场结构，显示出具有有序和湍流场分量的高度复杂的场几何结构。这种复杂的磁场可以在致密的核心和原恒星吸积盘中产生一定范围的恒星质量和喷流/外流效率。
2020-02-11 astro-ph.GA astro-ph.SR
As a matter of force - Systematic biases in idealized turbulence simulations
许多天体物理系统在空间和时间上包含非常大的动力学范围，这是直接数值模拟无法达到的。因此，理想化的子体积通常用于研究小尺度效应，包括湍流动力学。这些湍流箱需要人工驱动，以模拟大规模过程的能量注入。在这封信中，我们显示和量化的自相关时间的驱动和其归一化系统地改变性能的等温可压缩磁流体动力学流在次和超音速制度，并影响天体物理观测，如法拉第旋转。例如，我们发现，$δ$的时间强迫与恒定的能量注入导致一个陡峭的斜率在动能谱和效率较低的小规模发电机行动。在一般情况下，我们表明，较短的自相关时间需要更多的功率在加速场，从而导致更多的功率在压缩模式，削弱密度和磁场强度之间的关系。因此，所导出的可观测量，例如来自旋转测量的视线磁场，被驱动机制系统地偏置。我们认为，$δ$的时间强迫是不现实的，数值上未解决的，并得出结论，需要特别小心解释观测结果的基础上使用理想化的模拟。
2018-05-06 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.flu-dyn
