由全球最大超音速湍流模拟揭示的声速尺度

理解湍流物理对许多应用至关重要，包括气象、工业和天体物理。在星际介质（ISM）中，超音速湍流在控制气体密度与速度结构以及最终的恒星诞生方面起着关键作用。在此，我们呈现一个网格分辨率为 10048^3 细胞的星际湍流模拟，使我们能够确定声速尺度（l_s）——从超音速到亚音速湍流的过渡——的位置和宽度。该模拟同时分辨了超音速与亚音速级联，v(l) ~ l^p，其中我们分别测得 p_sup = 0.49 ± 0.01 与 p_sub = 0.39 ± 0.02。我们发现 l_s 符合关系 l_s / L = phi_s Mach^(-1/p_sup)，其中 Mach 为三维马赫数，L 为湍流的驱动尺度或分子云直径。若 L 为驱动尺度，我们测得 phi_s = 0.42 (+0.12) (-0.09)，主要因为驱动尺度与超音速级联起点之间的分离。对于延伸至云尺度之外的超音速级联，我们得到 phi_s = 0.91 (+0.25) (-0.20)。两种情况下均有 phi_s < 1，因为我们发现超音速级联在 3 倍尺度范围内平滑过渡到亚音速级联，而非尖锐过渡。我们的测量为分子云中由湍流调节的丝状结构与恒星形成模型提供了定量输入。