[論文レビュー] Cooling driven coagulation

Max Grönke, S. Peng Oh|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2022

Fluid Dynamics and Turbulent Flows被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、多相性宇宙ガスにおける冷却駆動型凝集を調査し、放射冷却によって駆動される大規模で摂動を受ける冷たいガス雲が、脈動を示し、持続的な質量増加と高温ガスの混入を引き起こすことで、冷たい液滴の急速な凝集をもたらすことを示している。主な結果は、$ v_{\text{coag}} \sim v_{\text{mix}} (r_{\text{cl}}/d)^2 $ に比例する凝集速度であり、質量ではなく表面積に依存する逆二乗則に従う重力に類似した力が支配的であり、2次元および3次元の流体力学的シミュレーションと解析モデルによって裏付けられている。

ABSTRACT

Astrophysical gases such as the interstellar-, circumgalactic- or intracluster-medium are commonly multiphase, which poses the question of the structure of these systems. While there are many known processes leading to fragmentation of cold gas embedded in a (turbulent) hot medium, in this work, we focus on the reverse process: coagulation. This is often seen in wind-tunnel and shearing layer simulations, where cold gas fragments spontaneously coalesce. Using 2D and 3D hydrodynamical simulations, we find that sufficiently large ($\gg c_{ m s} t_{ m cool}$), perturbed cold gas clouds develop pulsations which ensure cold gas mass growth over an extended period of time ($\gg r / c_{ m s}$). This mass growth efficiently accelerates hot gas which in turn can entrain cold droplets, leading to coagulation. The attractive inverse square force between cold gas droplets has interesting parallels with gravity; the `monopole' is surface area rather than mass. We develop a simple analytic model which reproduces our numerical findings.

研究の動機と目的

• 放射冷却下での冷たいガスの破壊の逆現象である凝集を、多相性宇宙ガス系で理解すること。
• 乱流的で冷却が支配的な環境下で、持続的な冷たいガスの質量増加と液滴の合体を可能にする物理的メカニズムを特定すること。
• 2次元および3次元の流体力学的シミュレーションで観測された数値的凝集ダイナミクスを再現できる解析モデルの構築と検証すること。
• ISM、CGM、ICMの文脈において、特に音速近い乱流下で凝集が拡散を上回る条件を明確にすること。

提案手法

• Athena++ を用いた数値的シミュレーション。圧縮流体力学をモデル化するため、HLLCリーマン解法とvan Leer非分割積分法を採用。2次元および3次元の設定で実施。
• Townsend (2009) の冷却アルゴリズムを実装。太陽系金属量の冷却曲線を用い、シミュレーションの安定化のため $ T_{\text{floor}} = 4 \times 10^4 \, \text{K} $ の下限温度を設定。
• 冷却時定数 $ t_{\text{cool}} $ と音速 $ c_{\text{s}} $ を用いて、臨界長尺度 $ \ell_{\text{shatter}} = c_{\text{s}} t_{\text{cool}} $ を定義。この尺度を超えると凝集が有効に働く。
• 孤立した雲と乱流的多相系の両方を用いた質量増加、脈動、高温ガスの混入の分析を通じて、冷却駆動型凝集を分離して評価。
• 表面積に起因する引力と乱流混合速度に基づく解析モデルを構築し、凝集速度を予測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却され、乱流的な媒体内にある冷たいガス断片どうしが合体する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 放射冷却が、$ \ell_{\text{shatter}} $ を超える大きさの冷たいガス雲において、脈動と持続的な質量増加をどのように引き起こすか？
• RQ3 冷たい液滴間の凝集速度は何かを決定づけており、距離および乱流混合速度にどのように依存するか？
• RQ4 冷却駆動型凝集が、音速近い乱流下で拡散を上回る領域はどのようなものか？
• RQ5 冷たい液滴間の有効な「力」は重力と比べてどうなっており、表面積と質量のどちらが支配的役割を果たすか？

主な発見

• 冷却時定数 $ \ell_{\text{shatter}} = c_{\text{s}} t_{\text{cool}} $ を超える冷たいガス雲は、圧力の揺らぎを発生させ、$ r/c_{\text{s}} $ よりもはるかに長い時定数スケールで持続的な脈動と質量増加を示す。
• 凝集速度は $ v_{\text{coag}} \sim v_{\text{mix}} (r_{\text{cl}}/d)^2 $ に比例し、$ v_{\text{mix}} \sim c_{\text{s}} $ であるため、乱流に起因する混入によって、距離が大きくても速やかに合体が進行することが示唆される。
• 高温ガスは成長する冷たいガスに駆動され、その後冷たい液滴を混入・輸送することで凝集を促進する。
• 冷たい液滴間の有効な力は重力に類似した逆二乗則に従うが、「モノポール」は質量ではなく表面積に相当するため、破壊が凝集を促進することを示唆する。
• 解析モデルは数値結果を比較的よく再現しており、冷却駆動型脈動と乱流混入が凝集の主要駆動要因であるという物理的解釈を裏付けている。
• 凝集は、覆い被さる率が高い環境、あるいはコメット尾のような幾何的配置において最も効果的であり、この場合 $ d^{-2} $ の依存性が緩和され、持続的な合体が可能になる。