A Markov model for non-lognormal density distributions in compressive isothermal turbulence
已知压缩等温湍流具有接近对数正态的密度概率分布函数（PDF），其宽度与音速马赫数和湍流驱动的性质（螺线管与压缩）成比例。然而，在湍流介质中塑造极高和极低密度结构的物理过程可能是不同的，其中密度结构由在比低密度流体更短的时间尺度上演化的强烈冲击组成。湍流介质中的密度PDF由于激波而表现出与对数正态的偏差，其随着音速马赫数而增加，这在湍流和恒星形成的分析模型中常常被忽略。我们开发了一个简单的湍流模型，将其视为连续的马尔可夫过程，它解释了密度PDF和结构的瞬态时间尺度作为密度的函数，使用在n Scannapieco & Safarzadeh（2018）中开发的框架。我们的分析模型只依赖于一个单一的参数，有效的压缩音速马赫数，并成功地描述了非对数正态行为中看到的超音速和亚音速压缩等温湍流的一维和三维模拟。该模型量化了湍流环境中密度结构的非对数正态分布，并应用于恒星形成分子云和恒星形成效率。
2019-10-06 astro-ph.GA
Statistics of Energy in Isothermal Supersonic Turbulence
本研究针对等温超声速湍流，推导了热能与动能及其联合概率密度函数的解析公式，并通过不同马赫数和驱动模式的模拟验证，发现了热能PDF中的跳跃不连续性。
2023-12-20 astro-ph.GA
Star formation in turbulent molecular clouds with colliding flow
利用自引力流体动力学数值模拟方法，研究了高密度湍流分子云在碰撞流作用下的演化过程。湍流引起的激波相互作用产生了宽度小于秒差距的薄对流云网络。碰撞流将对流云聚集成片状云，并促进最初高密度云的活跃恒星形成。有碰撞流的云比没有碰撞流的云表现出更精细的对流网络。对于无碰撞流的云，密度和柱密度的概率分布函数（PDF）可以用对数正态函数拟合。当初始湍流较弱时，柱密度PDF在高柱密度时具有幂律翼。碰撞流使PDF显著变形，使得PDF呈现双峰。当初始云密度较大时，模拟的质量分布与经典的初始质量函数一致，其幂律指数为$-1.35$。恒星速度的分布与气体速度的分布一致，对于没有碰撞流的云，气体速度的分布可以用高斯函数拟合。对于具有碰撞流的云，气体的速度色散往往大于恒星的速度色散。碰撞流和湍流的特征出现在从模拟数据重建的通道图中。没有碰撞流的云由于湍流而表现出云尺度的速度切变。与此相反，云与碰撞流显示出显着的反相关分布的薄丝之间的不同的速度通道，这表明碰撞云之间的碰撞。
2015-03-06 astro-ph.GA astro-ph.SR
Inefficient star formation in high Mach number environments I. The turbulent support analytical model
本文提出一个考虑密度场空间相关性的湍流支撑解析模型，揭示高马赫数下湍流弥散稳定大多数密度涨落，导致恒星形成率随马赫数增加而急剧下降。
2024-07-25 astro-ph.GA astro-ph.SR
Modeling Star Formation as a Markov Process in a Supersonic Gravoturbulent Medium
分子云呈现出质量密度的对数正态概率密度函数（PDF），这被认为是等温超音速湍流的结果。因此，人们普遍认为恒星的形成是在扰动中发生的，在这种扰动中，引力坍缩的速度比湍流运动引起的变化速度要快。在这里，我们使用直接的数值模拟来测量该速率作为密度的函数的湍流马赫数的范围内，并显示它是在高密度比低密度更快。此外，我们表明，密度PDF和变化率自然出现在一个简单的湍流模型作为一个连续的马尔可夫过程。描述这种演化的一维朗之万方程只依赖于两个参数，但它捕捉了直接三维模拟中看到的全部演化。如果将其修改为包括重力，朗之万方程也再现了在湍流模拟（包括自重力）中看到的材料坍缩到高密度的速率。当推广到包括温度和密度时，类似的分析可能适用于整个天体物理学。
2018-09-20 astro-ph.GA
The Razor's Edge of Collapse: The Transition Point from Lognormal to Powerlaw in Molecular Cloud PDFs
我们推导了恒星形成分子云中对数正态和幂律概率分布函数之间的过渡柱密度值（$s_t$）的解析表达式。我们的$s_t$表达式取决于平均列密度、PDF对数正态部分的方差和PDF幂律部分的斜率。我们表明，$s_t$可以与物理量，如音速马赫数的流动和幂律指数的自引力等温球。这意味着对数正态密度和幂律密度/柱密度PDF之间的过渡点代表湍流和热压平衡的临界密度，即所谓的“激波后密度”。“我们使用文献中报道的尘埃PDF观测结果以及Enzo代码对自引力超音速湍流的数值MHD模拟来测试我们对过渡柱密度的分析预测。我们发现之间的解析$s_t$和测量值的数值模拟和观测（在1.5 A $_V$）的良好协议。我们讨论了我们的表达式的实用程序，用于确定未解决的低密度材料在尘埃观测的PDF的属性，用于估计冲击后的密度，并确定HI-H $_2$过渡云。
2016-09-14 astro-ph.GA
Relationship between molecular cloud structure and density PDFs
分子云中的体积和柱密度PDF是了解其一般结构的重要诊断工具。我们开发了一种新的方法来跟踪云的结构，通过改变较低的PDF截止和探索建议的质量密度关系与幂律指数$x^\prime$。研究了x'作为空间尺度的函数与高密度PDF尾斜率的对应关系。为了验证所提出的模型，我们使用流体动力学模拟的湍流自引力云和最近的数据尘埃连续排放的普朗克任务的结果。
2013-08-01 astro-ph.GA astro-ph.SR
Tracing the general structure of Galactic molecular clouds using Planck data: I. The Perseus region as a test case
我们提出了一个分析的概率分布函数（PDF）的柱密度在不同的区域的恒星形成区域英仙座及其扩散环境的基础上，在353 GHz的尘埃不透明度的地图，从普朗克档案。pdf形状可以通过对数正态函数和高密度下扩展幂律尾部的组合来拟合，在分子云英仙座的中心区域。几个对数正态分布的线性组合非常适合云周围的环或其扩散邻域的pdf。平均密度标度律$\langleρ\rangle_L \propto L^α$的斜率在前一种情况下是陡峭的（$α=-1.93$），而在云周围描绘的环中是相当浅的（$α=-0.77\pm0.11$）。我们将这些发现解释为两种不同物理机制的特征：i）重力湍流机制，其特征在于质量的近似线性标度和实际缺乏速度标度; ii）主要湍流机制，其最好由陡峭的速度标度和可压缩湍流$\langleρ\rangle_L u_L^3/L$的不变量来描述，描述了通过湍流级联的每单位体积的动能的尺度无关通量。重力湍流的空间域可以确定与分子云英仙座，而一个相对尖锐的过渡到主要湍流制度发生在其附近。
2015-05-07 astro-ph.GA
Understanding star formation in molecular clouds IV. Column density PDFs from quiescent to massive molecular clouds
我们提出了N-PDF的29个银河系地区获得的赫歇尔成像在高角分辨率，包括弥漫和静止的云，和那些显示低，中，高质量的恒星形成（SF），并使用三角洲方差工具的云结构的特点。N-PDF在低柱密度下呈双对数正态分布，在高柱密度下显示一个或两个幂律尾（PLT）。对于弥漫，静止，低质量的SF云，我们建议，这两个对数法线产生的原子和分子阶段，分别。对于大规模的云，我们建议，第一个对数正态是建立了由有害的混合H2和第二个压缩（通过恒星反馈）分子气体。几乎所有的云都有两个PLT，其斜率与自重力一致，其中第二个可能比第一个更平坦或更陡峭。更平坦的PLT可能是由恒星反馈或其他物理过程引起的，这些过程减缓了坍缩并减少了质量向更高密度的流动。如果磁场的取向垂直于LOS柱密度分布，则可能出现更陡的斜率。第一个偏离点（DP），其中N-PDF从对数正态转变为PLT，示出了围绕2-5左右的AV（DP 1）的视觉消光值的聚类。定义两个PLT之间的断裂的第二DP变化很大。使用Δ方差，我们观察到AV值，其中斜率在第一和第二PLT之间变化，随着方差谱中的特征尺寸尺度而增加。我们的结论是，在低柱密度，原子和分子的气体是有害的混合，而在高柱密度，气体是完全分子和占主导地位的自引力。因此，分子云的最佳拟合模型N-PDF是具有对数正态低柱密度分布的模型，其次是一个或两个PLT。
2022-07-29 astro-ph.GA
Chemical Abundances in a Turbulent Medium -- H$_2$, OH$^+$, H$_2$O$^+$, ArH$^+$
超声速湍流在星际介质中产生强烈的密度涨落，从而对星际介质的化学结构产生深刻的影响。扩散ISM的特别有用的探针是ArH $^+$、OH $^+$、H $_2$ O $^+$分子离子，它们对密度和H $_2$丰度的波动高度敏感。我们使用等温磁流体动力学（MHD）模拟的各种音速马赫数，$\mathcal{M}_s$，和密度去相关尺度，$y_{\rm dec}$，模拟湍流密度场。我们用化学模型对模拟进行后处理，得到H $_2$、ArH $^+$、OH $^+$和H $_2$ O $^+$丰度的概率密度函数（PDF）。我们发现，PDF色散增加与增加$\mathcal{M}_s$和$y_{\rm dec}$，作为密度波动的幅度增加，并作为他们变得更加连贯。湍流也影响中位丰度：当$\mathcal{M}_s$和$y_{\rm dec}$高时，具有低H $_2$丰度的低密度区域变得普遍，导致ArH $^+$与OH $^+$和H $_2$ O $^+$相比增强。我们比较我们的模型与赫歇尔观测。在所观察到的丰度，以及高观察到的ArH $^+$ /OH $^+$和ArH $^+$ /H $_2$ O $^+$的比例大的散射自然再现我们的超音速$(\mathcal{M}_s=4.5)$，大的去相关规模$(y_{\rm dec}=0.8)$模型，支持一个大规模的湍流驱动的情况。的丰度也取决于紫外线强度，CR…
2019-10-09 astro-ph.GA
On the shape and completeness of the column density probability distribution function of molecular clouds
过去十年的观测和理论研究都表明，湍流分子云中气体密度的概率分布函数（PDF）是理解恒星形成的关键因素。最近有人认为，分子云的PDF是一个纯粹的幂律分布。有人声称，当只使用PDF的上/下部分时，对数正态部分被排除在外，这部分是完整的，也就是柱密度等高线仍然闭合的地方。通过使用高分辨率磁流体动力学模拟的分子云的形成和演化的结果，我们发现，柱密度PDF确实是由对数正态分布，如果包括自引力，幂律部分。我们发现，不充分的采样的分子云的结果在封闭的轮廓，切断了对数正态分布的一部分。相比之下，系统地增加视野和采样整个云在较低的列密度，这也恢复了对数正态部分的完整性限制。这表明，视场必须足够大，PDF才能完整到对数正态部分，这对基于PDF的恒星形成活动预测具有重要意义。
2018-11-07 astro-ph.GA
On the evolution of the density pdf in strongly self-gravitating systems
用一个简单的近似函数来描述和求解自由落体系统的质量密度的概率密度函数（PDF）随时间的演化。我们证明了一个无压崩溃的结果在高密度侧的PDF的幂律尾。对于（体积加权）PDF，斜率迅速渐近为函数形式$\mathrm{P}_v(ρ)\proptoρ^{-1.54}$，对于相应的质量加权分布，斜率迅速渐近为函数形式$\mathrm{P}_m(ρ)\proptoρ^{-0.54}$。从PDF的简单近似，我们推导出质量吸积的解析描述，发现动态安静的系统与窄密度PDF导致延迟恒星形成和低恒星形成率。相反，强烈的湍流运动会扩大PDF，加速坍缩，导致恒星形成的爆发模式。最后，我们比较我们的理论工作与观察。在坍缩的早期阶段，测得的恒星形成率与我们的模型一致。观测到的柱密度PDF与我们的模型得出的结果比较表明，观测到的恒星形成核心大致处于自由落体状态。
2014-01-14 astro-ph.GA astro-ph.SR
Multi log-normal density structure in Cygnus-X molecular clouds: A fitting for N-PDF without power-law
本文基于天鹅座X CO巡天数据构建并拟合分子云的N-PDF，发现其可用一至两个对数正态分布描述，且N-PDF形状主要反映密度与湍流结构关系，与恒星形成活动相关性较弱。
2023-05-11 astro-ph.GA
On the link between column density distribution and density scaling relation in star formation regions
我们提出了一种方法来获得的密度标度关系$\langle n\rangle \propto L^{-α}$在恒星形成的区域或在其湍流附近的直接装箱的列密度分布（$N$ -pdf）。该方法的结果进行了研究，为三种类型的$N$ -pdf：幂律（$7/5\leα\le5/3$），对数正态（$0.7\lesssimα\lesssim1.4$）和对数正态组合。在最后一种情况下，Stanchev等人的方法也被应用于比较。（2015）发现了非常弱（或接近于零）的相关性。我们得出结论，所考虑的“分箱方法”反映了$N$ -pdf的局部形态，而没有参考所考虑区域的物理条件。推导出的斜率与广泛采用的Larson（1981）值$α\sim1.1$的大致一致性表明，分子云中的密度-尺寸关系确实是观测到的$N$ -pdf的一个伪影。
2017-05-18 astro-ph.GA
The density structure of supersonic self-gravitating turbulence
我们进行数值实验，以确定密度概率分布函数（PDF）中产生的超音速，等温，自引力湍流的那种是无处不在的恒星形成的分子云。我们的实验涵盖了广泛的湍流马赫数和维里参数，使我们能够第一次确定PDF如何响应这些参数的变化，我们引入了一个新的诊断，无量纲恒星形成效率与密度（$ε_{\rm ff}(s)$）曲线，它提供了一个灵敏的诊断PDF的形状和动力学。我们发现，PDF遵循一个通用的功能形式，包括一个对数正态分布在低密度与两个不同的幂律尾在较高的密度;第一个这些代表的发病自引力，第二个反映了发病的旋转支持。一旦恒星形成效率达到百分之几，PDF在统计上变得稳定，没有证据表明恒星形成效率从大约5%到20%的长期时间演化。我们表明，无论是马赫数和维里参数的影响特征密度的对数正态让位于第一次幂律，和第一次到第二次，我们扩展（前者）和开发（后者）简单的理论模型，这些密度阈值和湍流介质的全球性能之间的关系。
2021-08-08 astro-ph.GA astro-ph.SR
Fitting Probability Distribution Functions in Turbulent Star-Forming Molecular Clouds
本文利用3D分子云模拟，对比了分段对数正态幂律与多项式样条两种密度PDF拟合方法，发现样条法在处理柱密度噪声和估计体积密度斜率时表现更优，建议联合使用以减轻噪声影响。
2023-05-18 astro-ph.GA
Effects of low resolution on the column density PDF of molecular clouds
Shanghai Normal University（上海师范大学）；University of Massachusetts Amherst（马萨诸塞大学阿默斯特分校）；Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海天文台）；Max Planck Institute for Astronomy（马克斯·普朗克天文学研究所）；Yunnan Observatories, Chinese Academy of Sciences（中国科学院云南天文台）；Universidad de Chile（智利大学）
研究低分辨率对分子云柱密度概率分布函数影响，通过模拟观测量化截断效应，提出无参数模型预测截断柱密度，开发反向方法，发现N-PDF形状与形态关联，为校正分辨率效应提供框架，增强恒星形成理论约束。
2026-07-10 astro-ph.GA
Towards Optimal Reconstruction of Shear Field with PDF-Folding
本文提出PDF-Folding方法，一种统计最优的剪切场重建技术，无需平滑核，减少小尺度信息损失，在一般观测条件下达到最优信噪比，并验证于真实星系团数据。
2023-07-26 astro-ph.CO astro-ph.GA
Ion Alfvén velocity fluctuations and implications for the diffusion of streaming cosmic rays
恒星形成星系的星际介质（ISM）是磁化和湍流的。宇宙射线（CR）通过它传播，而那些具有来自$\sim\,\rm{GeV} - \rm{TeV}$的能量的宇宙射线很可能受到流动不稳定性的影响，从而波阻尼过程平衡了CR对共振离子阿尔芬波的激发，达到了CR的传播速度非常接近局部离子阿尔芬速度的平衡。因此，流动CR的运输对离子阿尔文速度波动敏感。在本文中，我们系统地研究这些波动使用大合奏的可压缩MHD湍流模拟。我们表明，亚Alfvénic湍流，适用于一个强磁化ISM，离子Alfvén速度概率密度函数（PDF）是完全由密度波动冲击气体形成平行于磁场，我们开发的分析模型的离子Alfvén速度PDF的第二时刻。对于超阿尔文湍流，磁场和密度波动以复杂的方式相关，这些相关性以及来自磁场波动的贡献设置了离子阿尔文速度PDF。我们讨论了这些研究结果的影响，在CRs经历的流动不稳定性，包括建模的宏观扩散系数的平行运输亚Alfvénic等离子体中的潜在的“宏观”扩散机制。我们还描述了如何，对于高度磁化的湍流气体，气体密度PDF，因此列密度PDF，可以用来访问信息的离子阿尔文速度结构从磁化ISM的观察。
2022-08-07 astro-ph.GA physics.flu-dyn
The reliability of observational measurements of column density probability distribution functions
柱密度的概率分布函数（PDF）是一个既定的工具来表征星际云的演化状态。使用模拟，我们展示了在何种程度上他们的决心是受噪声，视线污染，现场选择，和不完整的采样干涉测量。我们解决的积分，描述了云PDF与污染源的卷积，并研究缺失的信息对测得的列密度PDF的影响。如果噪声的均方根（rms）是已知的，则可以容易地估计和校正观测噪声的影响。对于低于典型云柱密度$N_{peak}$ 40%的$σ_{noise}$值，这几乎不涉及PDF参数精度的降低。对于更高的噪声水平和窄的云PDF，PDF的宽度变得越来越不确定。如果污染物的PDF在较低的柱处达到峰值或比观测到的云的PDF窄，则可以将湍流前景或背景云的污染物作为恒定屏蔽去除。云边界的清晰度主要影响PDF的低柱密度部分和平均密度。只要覆盖了超过50%的云，对PDF参数的影响就可以忽略不计。与此相反，在干涉测量观测的紫外线平面的不完整采样导致不可校正的失真的PDF的产生的地图。扩展ALMA的能力将使我们能够恢复PDF的高柱密度尾部，但我们发现没有办法测量干涉观测中底层云PDF的中间和低柱密度部分。
2016-04-14 astro-ph.GA astro-ph.IM
Turbulence in virtual: II. Origin of skewness and dual fraction processes
本研究针对超声速系统气体密度PDF的偏态指数尾问题，提出其源于偏尾PDF核的卷积，引入质量与体积分数法解释两类偏态核起源，发现二者互为对偶，还推测高s偏态核与分子云柱密度幂律尾相关，并构建了等温湍流系统形式。
2025-03-24 astro-ph.GA astro-ph.SR
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
