[論文レビュー] Feedback by massive stars and the emergence of superbubbles I. Energy efficiency & Vishniac instabilities

Martin Krause, Katharina Fierlinger+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 39

ひとこと要約

本研究では、3次元流体力学的シミュレーションを用いて、大質量星の空間的配置が星間バブルおよびスーパーバブルにおけるエネルギー注入効率と殻構造に与える影響を調査する。結果として、星が密集しているグループでは、ビシュニャック不安定性により、星間物質（ISM）に最大3倍のエネルギーが保持されることが判明した。この不安定性は殻を広げ、繊維状構造を生成する。これは観測された殻幅を説明する上で重要である。星間距離が約30 pcを超えると、エネルギー応答は配置にほとんど依存しなくなり、これは銀河規模のモデルにおいてクラスタを有効なフィードバックユニットとして使用することを支持する。

ABSTRACT

We study the evolution of isolated and merging interstellar bubbles of three stars (25, 32 and 60 M\odot) in a homogeneous background medium with a density of 10 mp /ccm via 3D-hydrodynamic simulations with standard ISM thermodynamics (optically thin radiative cooling and photo-electric heating) and time dependent energy and mass input according to stellar evolutionary tracks. We vary the position of the three stars relative to each other to compare the energy response for cases of isolated, merging and initially cospatial bubbles. Due to mainly the Vishniac instability, our simulated bubbles develop thick shells and filamentary internal structures in column density. The shell widths reach tens of per cent of the outer bubble radius, which compares favourably to observations. More energy is retained in the ISM for more closely packed groups, by up to a factor of three and typically a factor of two for intermediate times after the first supernova. Once the superbubble is established, different positions of the contained stars make only a minor difference to the energy tracks. For our case of three massive stars, the energy deposition varies only very little for distances up to about 30 pc between the stars. Energy injected by supernovae is entirely dissipated in a superbubble on a timescale of about 1 Myr, which increases slightly with the superbubble size at the time of the explosion. The Vishniac instability may be responsible for the broadening of the shells of interstellar bubbles. Massive star winds are significant energetically due to their - in the long run - more efficient, steady energy injection and because they evacuate the space around the massive stars. For larger scale simulations, the feedback effect of close groups of stars or clusters may be subsumed into one effective energy input with insignificant loss of energy accuracy.

研究の動機と目的

• 大質量星の空間的配置が、星風および超新星によって星間物質（ISM）へのエネルギー注入効率にどのように影響するかを定量化すること。
• ビシュニャック不安定性が星間バブル殻の形状と繊維状構造の生成に果たす役割を調査すること。
• 孤立したバブルと、クラスタードスターからの合体スーパーバブルのどちらが、ISMへの有効なエネルギー入射をもたらすかを特定すること。
• エネルギー保持と配置依存性の評価を通じて、銀河規模のフィードバックモデルに与える影響を評価すること。

提案手法

• 密度10 mp cm⁻³の均一なISMと標準的な熱力学（光学的に薄い冷却、光電離加熱）を想定した、3つの大質量星（25, 32, 60 M⊙）の3次元流体力学的シミュレーションを実施。
• 星の進化軌道に基づいた時間に依存するエネルギーおよび質量入力を組み込み、風段階と超新星爆発を含む。
• 3つの星の相対的位置（孤立、合体、同一位置）を変化させ、配置によるエネルギー応答と殻構造の違いを比較。
• ビシュニャック不安定性とその殻構造への影響を解明するため、高解像度シミュレーション（2.1 pc、1.0 pc、0.52 pc解像度）を実施。
• 時間経過に伴う柱密度プロジェクションとエネルギー軌跡を分析し、殻の広がりとエネルギー保持を定量的に評価。
• 理論的予測と観測データ（バブル構造とエネルギー応答）を、ビシュニャック不安定性の理論的期待値と比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大質量星の空間的分離が、ISMへのフィードバックエネルギー効率にどのように影響するか？
• RQ2 ビシュニャック不安定性が、星間バブル殻の広がりと繊維状構造の生成にどれほど寄与しているか？
• RQ3 スーパーバブルのエネルギー応答は、母星の初期配置（例：孤立 vs. クラスタ）に大きく依存するか？
• RQ4 長期間にわたるISM内でのエネルギー保持の観点から、超新星のエネルギー入力と主系列風段階のエネルギー入力のタイミングと大きさは、どのように比較されるか？
• RQ5 特に銀河規模のシミュレーションにおいて、星のグループからのエネルギー堆積を単一の有効な入力として効果的にモデル化できるか？

主な発見

• ビシュニャック不安定性が、星間バブル殻の広がりを引き起こす主要因であり、外側バブル半径の数十パーセントに達する殻幅を生じさせる。これは観測結果と整合的である。
• 星が密に配置されたグループでは、孤立した星と比較して、ISM内でのエネルギー保持が最大3倍に増加する。初代超新星発生後の途中段階では、通常2倍の増加が見られる。
• 星間距離が約30 pc未満の範囲では、スーパーバブルのエネルギー応答はわずかに変化するのみであり、バブルが合体し始めると、空間的配置への感受性が著しく低下することが示唆される。
• 超新星は約1 MyrのスケールでISMにエネルギーを注入し、より大きな事前に存在するバブル内での爆発では、エネルギーの減衰時間が長くなる。
• 超新星発生後、主系列風段階に比べてエネルギー応答が2倍低下するため、風段階の方がエネルギー堆積においてより効率的である。
• 殻の最終運動エネルギーは、60 M⊙星の作用に支配され、すべてのシミュレーションで殻速度が類似しているため、遅い段階でエネルギー軌跡が収束する。