冷却诱导可压缩性对湍流流动结构及引力坍缩影响

我们研究了高度可压缩湍流的性质，这种可压缩性源于由于冷却导致的有效多项式指数 $\gamma_e$ 较小。在 $\gamma_e$ 很小的极限下，冲击波处的密度跌幅被证明为 $e^{M^2}$ 数量级。若无自引力， moderately 可压缩情形下的密度结构主要由被冲击波分隔开的块状结构组成，这些结构表现为波动行为；而在高度可压缩情形下，清晰定义的长期存在的类星云状云团则会显现。当动量方程中的强迫为纯可压缩形式时，旋转能量会随时间单调衰减，表明旋流拉伸项在将能量传递至旋转模式方面并不高效。这一特性可能是星际云系中旋转量较低的根源。我们发现，旋流产生严重依赖于方程中是否存在额外项。在存在自引力的情况下，我们认为当 $\gamma_e < 2(1-1/n)$ 时（其中 $n$ 为湍流压缩的典型维数），湍流可以产生致密结构。我们通过数值模拟予以支持：对于足够小的 $\gamma_e$，小尺度湍流密度涨落最终会坍缩，尽管该介质在整体上是稳定的。该结果在存在磁场且磁力通量比临界值大的情况下仍然成立。在较大的多项式指数下，湍流本身无法产生致密结构，只有当介质整体不稳定时坍缩才会发生。该机制是原始星系形成与现代星系形成之间差异、以及星际形成效率较低的合理候选因子。