[論文レビュー] Galactic Superwinds Circa 2001

Timothy M. Heckman|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2001

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 14

ひとこと要約

本稿は、星形成暴走活動によって駆動される銀河スーパーウィンドについてレビューし、それらが質量およびエネルギーの放出率が星形成および機械的エネルギー入力と同等の、ガス・ダスト・相対論的プラズマで構成される多相性の噴流であることを示している。主な結果として、噴流速度は最大3000 km/sに達し、放射損失は最小限に抑えられ、スーパーウィンドが銀河の質量-金属量関係を確立し、銀河間空間を約10–30%太陽系金属量まで金属で豊かにし、エネルギー的フィードバックによって加熱している可能性がある。

ABSTRACT

In this contribution I summarize our current knowledge of the nature and significance of starburst-driven galactic winds (``superwinds''). Superwinds are complex multiphase outflows of cool, warm, and hot gas, dust, and magnetized relativistic plasma. The observational manifestations of superwinds result from the hydrodynamical interaction between the primary energy-carrying wind fluid and the ambient interstellar medium. Superwinds are ubiquitous in galaxies in which the global star-formation rate per unit area exceeds roughly 10$^{-1}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ kpc$^{-2}$. This criterion is met by local starbursts and the high-z Lyman Break galaxies. Several independent datasets and techniques imply that the total mass and energy outflow rates in a superwind are comparable to the starburst's star-formation-rate and mechanical energy injection rate, respectively. Outflow speeds in interstellar matter entrained in the wind range from $\sim 10^2$ to $10^3$ km/s, but the primary wind fluid itself may reach velocities as high as $\sim$3000 km s$^{-1}$. The available X-ray and far-UV ($FUSE$) data imply that radiative losses in superwinds are not significant. Superwinds may have established the mass-metallicity relation in ellipticals and bulges, polluted the present-day inter-galactic medium to a metallicity of $\sim$ 10 to 30% solar, heated the inter-galactic medium, and ejected enough dust into the inter-galactic medium to have potentially observable consequences.

研究の動機と目的

• 星形成暴走によって駆動される銀河スーパーウィンドの力学的進化と観測的特徴を理解すること。
• 質量およびエネルギーの放出率を定量的に評価し、星形成率および機械的エネルギー入力率と比較すること。
• スーパーウィンドが銀河における質量-金属量関係を確立する役割を評価すること。
• スーパーウィンドが銀河間空間に与える影響、特に金属の豊かさと加熱を評価すること。
• ダストが銀河間空間に放出される可能性およびその宇宙論的意味を調査すること。

提案手法

• 超新星および星風からのエネルギー供給率を用いて、スーパーウィンドの流体力学的進化を断熱的ウィンドブローントブルブル理論でモデル化する。
• バブル拡大速度の式を適用：$ v_{Bubble} \sim 100 \dot{E}_{42}^{1/5} n_0^{-1/5} t_7^{-2/5} $ km/s により、衝撃波の速度を推定する。
• ウィンドの最終速度を推定するための式を用いる：$ v_{wind} \sim 3000 \mathcal{L}^{-1/2} $ km/s。
• 周囲の雲の慣性圧力加速を分析：$ v_{cloud} \sim 600 \dot{p}_{34}^{1/2} \Omega_w^{-1/2} r_{0,kpc}^{-1/2} N_{cloud,21}^{-1/2} $ km/s。
• X線およびFUSEデータを用いて、スーパーウィンドにおける放射損失が顕著でないことを推定する。
• 観測された放出率を星形成率およびエネルギー注入率と比較し、効率およびフィードバックの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成暴走によって駆動されるスーパーウィンドの力学的進化は何か？そして、スーパーバブルから双極的噴流へとどのように移行するか？
• RQ2 スーパーウィンドにおける観測された発光および吸収線の特徴は、ウィンドと周囲の銀河間ガスとの流体力学的相互作用によってどのように生じるか？
• RQ3 スーパーウィンドにおける質量およびエネルギーの放出率は何か？また、星形成率および機械的エネルギー入力率と比べてどうか？
• RQ4 スーパーウィンドは銀河間空間の金属の豊かさと加熱にどの程度寄与しているか？
• RQ5 スーパーウィンドは、銀河の球状構造における観測された質量-金属量関係および銀河間空間の金属量を説明できるか？

主な発見

• 星形成率が約10^{-1} M⊙ yr^{-1} kpc^{-2}を超える銀河ではスーパーウィンドが普遍的であり、これは局所の星形成暴走銀河および高赤方偏移のライマンブレイク銀河を含む。
• スーパーウィンドにおける質量およびエネルギーの放出率は、それぞれ星形成率および機械的エネルギー供給率と同等であり、高い効率を示している。
• 付随する銀河間ガスの噴流速度は約10^2から10^3 km/sの範囲にあり、主なウィンド流体は最大で約3000 km/sの速度に達する。
• X線およびFUSEデータは、スーパーウィンドにおける放射損失が顕著でないことを示しており、断熱的拡張モデルを支持する。
• スーパーウィンドは、楕円銀河およびバルジにおける質量-金属量関係を確立した可能性が高く、銀河間空間を約10–30%太陽系金属量まで金属で豊かにした。
• スーパーウィンドは銀河間空間を加熱し、宇宙論的に検出可能な効果をもたらすのに十分なダストを放出した可能性があり、全銀河間ダスト密度の上限はΩ_dust ~ 10^{-4}である。