[論文レビュー] Dispersal and Mixing of Oxygen in the Interstellar Medium of Gas-Rich Galaxies

J. R. Roy, D. Kunth|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 1994

Phase Equilibria and Thermodynamics被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、効率的な混合プロセスが存在するにもかかわらず、ガス豊富な銀河の星間媒体（ISM）における酸素のフルオアレンスに予想を上回る大きな揺らぎが見られる理由を調査している。流体力学的モデルを用いて、乱流拡산、雲同士の衝突、不安定性（レイノルズ＝ターレイユ不安定性およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性）が、10^8〜10^9年という時間スケールでO/H比を均一化すべきであることが示されているが、太陽とオリオン星雲の間で2倍の差が観測されているように、観測された濃度差が依然として残っており、現在の混合メカニズムが観測された化学的非均一性を説明するには不十分である可能性を示唆している。

ABSTRACT

Stellar and nebular abundance indicators reveal that there exists significant abundance fluctuations in the interstellar medium (ISM) of gas-rich galaxies. It is shown that at the present observed solar level of O/H $\\sim 6 \ imes 10^{-4}$, abundance differences of a factor of two, such as existing between the Sun and the nearby Orion Nebula, are many times larger than expected. We examine a variety of hydrodynamical processes operating at scales ranging from 1 pc to greater than 10 kpc, and show that the ISM should appear better homogenized chemically than it actually is: $(i)$ on large galactic scales (1 $\\geq\\ l\\ \\geq$ 10 kpc), turbulent diffusion of interstellar clouds in the shear flow of galactic differential rotation is able to wipe out azimuthal O/H fluctuations in less than $10^9$ yrs; $(ii)$ at the intermediate scale (100 $\\geq\\ l\\ \\geq$ 1000 pc), cloud collisions and expanding supershells driven by evolving associations of massive stars, differential rotation and triggered star formation will re-distribute and mix gas efficiently in about $10^8$ yrs; $(iii)$ at small scales (1 $\\geq\\ l\\ \\geq$ 100 pc), turbulent diffusion may be the dominant mechanism in cold clouds, while Rayleigh-Taylor and Kelvin-Helmhotz instabilities quickly develop in regions of gas ionized by massive stars, leading to full mixing in

研究の動機と目的

• ガス豊富な銀河のISMにおける観測された酸素濃度の変動が理論的予想を上回る理由を理解すること。
• さまざまな流体力学的プロセスが星間媒体を化学的に均一化する効率を評価すること。
• 混合メカニズムが、太陽とオリオン星雲の間で観測されたO/H比の2倍の差といった観測結果を説明できるかどうかを特定すること。
• 乱流拡散、雲同士の衝突、スーパーシェル、およびさまざまな空間スケール（1 pc〜10 kpc）における不安定性の役割を評価すること。
• 銀河のISMにおける予測された混合時間スケールと観測された化学的非均一性を調和させること。

提案手法

• 大規模スケール（1〜10 kpc）における方位方向のO/H均一化を評価するため、銀河のせん断流れにおける乱流拡散をモデル化した。
• 中規模スケール（100〜1000 pc）における混合効率を評価するため、大質量星連星の影響で駆動される雲の衝突と拡張するスーパーシェルを分析した。
• 小規模スケール（1〜100 pc）における混合を評価するため、大質量星周辺のイオン化領域におけるレイノルズ＝ターレイユ不安定性およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性を調査した。
• 流体力学的シミュレーションを用いて、大規模、中規模、小規模の3つの空間領域における混合時間スケールを推定した。
• 予測された混合時間スケール（10^8〜10^9年）と観測された濃度変動を比較し、一貫性を評価した。
• 標準的なISM混合理論を適用して、観測されたO/Hの揺らぎが既知の物理的プロセスと整合するかどうかを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜガス豊富な銀河のISMにおける観測された酸素濃度の変動が理論的予想を上回るのか？
• RQ2 微分回転する銀河ディスクにおける乱流拡散は、10^9年未満の時間スケールでO/H比を均一化できるのか？
• RQ3 雲同士の衝突とスーパーシェルの拡張は、中規模スケール（100〜1000 pc）で星間ガスを効率的に再分配・混合できるのか？
• RQ4 レイノルズ＝ターレイユ不安定性およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性は、小規模スケール（1〜100 pc）における大質量星周辺のイオン化領域でどれほど混合を駆動するのか？
• RQ5 太陽とオリオン星雲の間で観測されたO/H差（2倍の差）は、既知の流体力学的混合メカニズムと整合するのか？

主な発見

• 銀河のせん断流れにおける乱流拡散は、大規模スケール（1〜10 kpc）で10^9年未塔の時間スケールで方位方向のO/H揺らぎを均一化できる。
• 中規模スケール（100〜1000 pc）では、雲同士の衝突、スーパーシェル、および誘発星形成が、約10^8年で効率的にガスを混合できる。
• 小規模スケール（1〜100 pc）では、冷たい雲では乱流拡散が支配的であり、一方イオン化領域ではレイノルズ＝ターレイユ不安定性およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性が急速な混合を駆動する。
• これらの効率的な混合プロセスが存在するにもかかわらず、太陽とオリオン星雲の間で観測されたO/H濃度差（2倍の差）は、現在のモデルでは説明できないままである。
• このような濃度揺らぎが持続していることから、混合メカニズムが想定よりも非効率であるか、あるいは非一様な星形成や遅延混合といった追加のプロセスが関与している可能性がある。
• 本研究は、観測されたISMの化学的非均一性が、標準的な流体力学的混合によって予測されるものよりも顕著であることを結論づけ、ISMの化学的進化に関する現在の理解にギャップが存在することを示唆している。