[論文レビュー] Galactic Superwinds at Low and High Redshift

Timothy M. Heckman|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、超新星と星風によって駆動される銀河超風—星形成活動によって駆動される—が、質量とエネルギーを効率的に銀河から放出することを観測的および理論的証拠をもとに示している。流出速度は星形成率と同等であり、運動エネルギー変換効率は30–100%に達する。これらの超風は、球状銀河における質量-金属量関係を駆動し、銀河間媒体を1バリオンあたり約1 keVまで加熱・金属化し、宇宙論的モデルに影響を与える可能性がある十分なほどのダストを放出する可能性がある。

ABSTRACT

In this contribution I summarize our current knowledge of the nature and significance of starburst-driven galactic superwinds. These flows are driven primarily by the kinetic energy supplied by supernovae. Superwinds are complex, multiphase phenomena requiring a panchromatic observational approach. They are ubiquitous in galaxies in which the global star-formation rate per unit area exceeds roughly 10$^{-1}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ kpc$^{-2}$ (a condition satisfied by local starbursts and high-z Lyman Break galaxies). Data on X-ray emission, optical line-emission, and optical/UV interstellar absorption-lines together imply that the mass outflow rates are comparable to the star-formation-rates and that the conversion of kinetic energy from supernovae to superwind is quite efficient ($\sim$ 30 to 100%). Measured/inferred outflow speeds range from a few $ imes 10^2$ to 10$^3$ km/s and appear to be independent of the rotation speed of the ``host'' galaxy. The outflows are dusty (dust/gas ratios of $\sim$ 1% by mass). These properties imply that superwinds may have established the mass-metallicity relation in elliptical and bulges, polluted the inter-galactic medium to a metallicity of $\sim$ 10 to 30% solar, heated the inter-galactic medium by up to $\sim$1 kev per baryon, and ejected enough dust into the inter-galactic medium to have potentially observable consequences.

研究の動機と目的

• 宇宙の歴史にわたる星形成活動によって駆動される超風の物理的・力学的・化学的性質を理解すること。
• 超新星から流出への運動エネルギー変換効率を特定すること。
• 超風が楕円銀河およびバルジにおける質量-金属量関係を確立する役割を評価すること。
• 超風が銀河間媒体（IGM）の加熱および金属化に果たす貢献を評価すること。
• 超風によってIGMに放出されるダストの観測的影響を推定すること。

提案手法

• 超新星と星風によるエネルギーおよび運動量の供給を用いて超風の動的進化をモデル化し、風の終端速度およびバブルの拡張速度を求める主要な式を含む。
• Lynden-Bell (1992)のモデルを適用して、銀河のポテンシャル井戸の深さに応じた金属の保持割合を推定し、風の脱出条件（v_esc < v_wind）を仮定する。
• パンクロマティック観測（X線、光学/紫外線の発光および吸収線、電波シンクロtron放射）を用いて、質量ローディング、速度、金属量といった流出の性質を推定する。
• 標準的なSalpeter初期質量関数（IMF）から得られる運動エネルギー総量を推定し、IGMの加熱可能性を評価する。この際、100%の効率を仮定する。
• 観測された流出におけるダスト対ガス比と、銀河間ダスト密度の上限値を比較することで、ダストの生存および放出効率を評価する。
• 理論的予測によるIGMの加熱と金属量と、銀河団における観測されたX線および光度-温度関係を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星から銀河超風への運動エネルギー変換効率はどの程度か？
• RQ2 超風の流出速度および質量ローディングは、回転速度や星形成率面密度といった銀河の性質にどのように依存するか？
• RQ3 超風は、球状銀河における観測された質量-金属量関係をどの程度説明できるか？
• RQ4 超風は、銀河間媒体を1バリオンあたり約1 keVまで加熱できるか？
• RQ5 超風は、観測された銀河間媒体におけるダスト含量にどの程度の貢献を果たす可能性があるか？

主な発見

• 超風における流出速度は星形成率と同等であり、星形成活動が強い銀河からの効率的な質量放出を示している。
• 超新星から超風への運動エネルギー変換効率は30–100%であり、主な銀河の回転速度に依存しない、終端速度300–800 km/sの風が観測されている。
• 観測された流出速度は、低質量銀河が風駆動で金属を失うモデルと整合しており、楕円銀河における観測された質量-金属量関係を再現している。
• 標準的なSalpeter IMFにおける超新星の運動エネルギーは、IGMを1バリオンあたり約1 keVまで加熱するのに十分であり、銀河団で観測された必要加熱レベルと一致している。
• 超風は、宇宙全体のダスト密度Ω_dust ~ 10^-4に相当する十分なダストをIGMに放出した可能性があり、宇宙論的モデルに影響を与える可能性がある。
• X線、光学、紫外線観測により、ダストを含み、多相状態の流出が存在することが確認され、質量ローディング因子l ≥ 1であり、ダスト対ガス質量比は約1%である。