[論文レビュー] Age, size, and position of H ii regions in the Galaxy. Expansion of ionized gas in turbulent molecular clouds

Pascal Tremblin, L. D. Anderson+9 more|The Research Repository @ WVU (West Virginia University)|Jun 6, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 30被引用数 37

ひとこと要約

本論文は、乱流を有する分子雲内での膨張をモデル化することで、銀河内H II領域の動的年齢を推定する新規手法を提案する。1次元シミュレーションのグリッドを用い、解析的解と3次元乱流効果を補正して、乱流の運動的圧力とイオン化ガス圧力の準平衡状態に達することを示す。主な結果として、イオン化ガス圧力が乱流の運動的圧力と準平衡に達することにより、等温線図における圧力-サイズ図で年齢推定が可能となり、ロゼット星団やM16といった代表的領域で文献値と良好に一致する。

ABSTRACT

This work aims at improving the current understanding of the interaction between H ii regions and turbulent molecular clouds. We propose a new method to determine the age of a large sample of OB associations by investigating the development of their associated H ii regions in the surrounding turbulent medium. Using analytical solutions, one-dimensional (1D), and three-dimensional (3D) simulations, we constrained the expansion of the ionized bubble depending on the turbulent level of the parent molecular cloud. A grid of 1D simulations was then computed in order to build isochrone curves for H ii regions in a pressure-size diagram. This grid of models allowed to date large sample of OB associations and was used on the H ii Region Discovery Survey (HRDS). Analytical solutions and numerical simulations showed that the expansion of H ii regions is slowed down by the turbulence up to the point where the pressure of the ionized gas is in a quasi-equilibrium with the turbulent ram pressure. Based on this result, we built a grid of 1D models of the expansion of H ii regions in a profile based on Larson laws. The 3D turbulence is taken into account by an effective 1D temperature profile. The ages estimated by the isochrones of this grid agree well with literature values of well-known regions such as Rosette, RCW 36, RCW 79, and M16. We thus propose that this method can be used to give ages of young OB associations through the Galaxy such as the HRDS survey and also in nearby extra-galactic sources.

研究の動機と目的

• 分子雲内の乱流を考慮することで、若いOB連星の年齢推定を改善すること。
• 乱流がH II領域の膨張をどのように遅くするか、および乱流の運動的圧力と平衡に達するメカニズムを定量化すること。
• 3次元乱流効果を再現する計算的に効率的な1次元シミュレーショングリッドを構築し、大規模な年齢推定に応用すること。
• HRDS調査データを用いて、代表的H II領域（例：ロゼット、M16）に対して本手法を検証すること。
• 星形成研究のため、銀河系および銀河外H II領域の大規模サンプルに本手法を適用可能にする。

提案手法

• 本手法は、解析的解と1次元シミュレーションを用いて、乱流を有する媒質内でのH II領域の膨張をモデル化し、乱流効果を有効温度プロファイルで表現する。
• Larsonのスケーリング則に従い、乱流分子雲の性質を反映した1次元シミュレーションのグリッドを計算し、圧力-サイズ図における等温線図を生成する。
• 乱流効果は、3次元シミュレーションで観測された有効エネルギー散逸率を反映させるために、1次元モデルにおける音速を調整することで組み込む。
• 本手法は、イオン化ガス圧力が3次元シミュレーションおよび解析的モデルから導かれた乱流の運動的圧力と平衡に達すると仮定する。
• 各H II領域の観測圧力とサイズを、シミュレーショングリッドから得られた等温線図と照合することで、年齢を推定する。
• 本手法は、HRDS調査データを用いて4つのベンチマーク領域（ロゼット、RCW 36、RCW 79、M16）に対してテストされ、光度的年齢と比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分子雲内の乱流がH II領域の膨張速度および最終的サイズにどのように影響を与えるか？
• RQ2 1次元シミュレーショングリッドは、3次元乱流媒質内でのH II領域の動的進化を正確に再現できるか？
• RQ3 H II領域の膨張において、イオン化ガス圧力が乱流の運動的圧力とどの程度平衡に達するか？
• RQ4 本手法は、大規模な観測調査に応用した場合、若いOB連星の信頼できる年齢推定を提供できるか？
• RQ5 局所密度や初期条件の不確実性が、本手法による年齢推定にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• H II領域の膨張は乱流の影響を強く受け、イオン化ガス圧力と乱流の運動的圧力の間で準平衡状態に達する。
• 1次元シミュレーショングリッドは、3次元乱流効果をうまく再現でき、圧力-サイズ等温線図を用いた正確な年齢推定が可能である。
• ロゼット、RCW 36、RCW 79、M16の年齢推定値は、文献の光度的年齢と良好に一致し、手法の妥当性が裏付けられた。
• 本手法は、中程度の密度変動（n(1 pc) = 3400 cm⁻³の±50％）に対して頑健であり、極端な変動下でも年齢推定値のずれは±0.8 Myr以内に収まる。
• 磁場や重力は大規模なH II領域の進化にほとんど影響しないが、小スケール（≤0.1 pc）のダイナミクスには影響を及ぼす可能性がある。
• 本手法は、銀河系および近傍銀河系の拡散的H II領域への大規模応用に適しており、星形成モデルの年齢分布研究が可能となる。