Structure and evolution of magnetic molecular clouds: observational consequences and tests

Abstract

Molecular clouds provide the initial stage for the star formation process. A complete understanding of the onset of this process relies on studying the numerous physical mechanisms that influence the structure and evolution of molecular clouds. Detailed maps of cloud structure have recently been delivered by the Herschel Space Observatory, through observations of thermal dust emission. These measurements show that molecular cloud morphology is predominantly filamentary. The filamentary structures seem to have a `characteristic' width of 0.1 pc. However, a robust theoretical explanation for this characteristic scale has proved elusive. We highlight discrepancies between this result and other observational evidence. Using an own-developed automated code for measuring filament properties, we revisit the analysis of filament widths on Herschel images. We find biases in the adopted methodology of previous works and show that the available data do not support the existence of a `characteristic' width for the observed filaments. Filament orientations appear to be closely related to that of the magnetic field within dense star-forming clouds. The observed connection suggests that the field is dynamically important in such systems. Similar evidence is lacking in the regime of translucent molecular clouds. We investigate the situation in this poorly studied regime, targeting the Polaris Flare molecular cloud. We map the magnetic field orientation in the cloud using the RoboPol optopolarimeter and deliver upgrades to the existing data processing pipeline (improving control of systematics throughout the instrument field of view). We find the field to be ordered across a large fraction of the cloud area, implying that it is strong compared to gas turbulent motions. We compare the orientation of the observed magnetic field to that of filaments in the Herschel map of the cloud and find strong preference for alignment. Our results indicate that the magnetic field has an important impact on the dynamics and therefore the structure and evolution of this cloud.

Τα μοριακά νέφη είναι η σκηνή πάνω στην οποία εκτυλίσσεται η δημιουργία των άστρων. Η ολοκληρωμένη κατανόηση της έναρξης της διαδικασίας αυτής βασίζεται στη μελέτη των πολλών φυσικών μηχανισμών που επηρεάζουν τη δομή και την εξέλιξη των μοριακών νεφών. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Herschel δημιούργησε λεπτομερείς χάρτες της δομής των νεφών μέσα από παρατηρήσεις της θερμικής εκπομπής της σκόνης. Αυτές οι μετρήσεις δείχνουν οτι η δομή των νεφών είναι νηματοειδής. Οι νηματοειδείς δομές φαίνεται να έχουν ένα 'χαρακτηριστικό' πάχος (0.1 pc). Όμως, δεν έχει βρεθεί μία στέρεα θεωρητική εξήγηση για αυτήν την παρατήρηση. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζουμε ασυνέπειες μεταξύ αυτού του αποτελέσματος και άλλων πειραματικών δεδομένων. Χρησιμοποιούμε τον κώδικα που ανέπτυξε η συγγραφέας για την αυτοματοποιημένη μέτρηση των παχών των νηματοειδών δομών για να επαναλάβουμε την ανάλυση των μετρήσεων στης εικόνες από το Herschel. Βρίσκουμε συστηματικά σφάλματα στην μεθοδολογία προηγούμενων μελετών και δείχνουμε οτι τα υπάρχοντα δεδομένα δεν υποστηρίζουν την ύπαρξη ένος 'χαρακτηριστικού' πάχους για τις παρατηρούμενες δομές.Η διεύθυνση των νηματοειδών δομών σχετίζεται με αυτόν του μαγνητικού πεδίου στα πυκνά μοριακά νέφη. Η παρατηρούμενη σύνδεση μπορεί να εξηγηθεί εάν το μαγνητικό πεδίο είναι σημαντικό στη δυναμική τέτοιων συστημάτων. Υπάρχει έλλειψη παρόμοιων στοιχείων όσον αφορά σε λιγότερο πυκνά νέφη. Μελετούμε ένα μοριακό νέφος με χαμηλή πυκνότητα στήλης, ονόματι Polaris Flare. Χαρτογραφούμε τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου στο νέφος χρησιμοποιώντας το οπτικό πολωσίμετρο RoboPol. Παράλληλα, αναβαθμίζουμε τον υπάρχοντα κώδικα ανάλυσης δεδομένων, βελτιώνοντας τον έλεγχο των συστηματικών σφαλμάτων σε όλο το πεδίο του οργάνου. Βρίσκουμε οτι το μαγνητικό πεδίο έχει διατεταγμένη διεύθυνση σε μεγάλο μέρος της επιφάνειας του νέφους, πράγμα που σημαίνει οτι είναι ισχυρό σε σχέση με την τυρβώδη ροή. Συγκρίνουμε τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου με αυτήν των νηματοειδών δομών στο χάρτη του Herschel και βρίσκουμε μία ισχυρή προτίμηση στην παραλληλία. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν οτι το μαγνητικό πεδίο έχει σημαντικό αποτέλεσμα στη δυναμική και, επομένως, στη δομή και την εξέλιξη αυτού του νέφους.