[論文レビュー] Galactic Winds and the Role Played by Massive Stars

Timothy M. Heckman, Todd A. Thompson|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 30

ひとこと要約

この論文は、大質量星、超新星、放射圧によって駆動される銀河風の物理的メカニズムをレビューし、その多相的性質と銀河進化の調節における役割に焦点を当てる。100–1000 km/sの高風速と星形成率と同等の質量出流率を示す運動量駆動型出流が、特にM82のような星形成暴走銀河で達成可能であることが示され、運動量出流率が大質量星からの入力と一致している。

ABSTRACT

Galactic winds from star-forming galaxies play at key role in the evolution of galaxies and the inter-galactic medium. They transport metals out of galaxies, chemically-enriching the inter-galactic medium and modifying the chemical evolution of galaxies. They affect the surrounding inter-stellar and circum-galactic media, thereby influencing the growth of galaxies through gas accretion and star-formation. In this contribution we first summarize the physical mechanisms by which the momentum and energy output from a population of massive stars and associated supernovae can drive galactic winds. We use the proto-typical example of M82 to illustrate the multiphase nature of galactic winds. We then describe how the basic properties of galactic winds are derived from the data, and summarize how the properties of galactic winds vary systematically with the properties of the galaxies that launch them. We conclude with a brief discussion of the broad implications of galactic winds.

研究の動機と目的

• 大質量星と超新星による運動量およびエネルギー注入によって、銀河風がどのように駆動されるか、その物理的メカニズムを理解すること。
• M82のような系で観測されるように、相対論的プラズマから冷たい分子ガスに至るまで、銀河風の多相的性質を説明すること。
• 出流の性質（速度、質量、運動量出流率）が星形成率および銀河の性質にどのようにスケーリングするかを定量化すること。
• 銀河風が星形成の制御、銀河間媒体の化学豊度上昇、銀河進化の形態的変化に果たす役割を評価すること。
• 宇宙論的シミュレーションにおけるフィードバックのモデリングにおける課題を強調し、改善された小スケール物理モデルの必要性を提示すること。

提案手法

• Chevalier & Clegg (1985) の自己相似モデルを用いて、断熱的拡張を記述し、$ V_{\infty} = (2\dot{E}/\dot{M})^{1/2} $ および $ T \propto V_{\infty}^2 $ を得る。
• 放射冷却や重力の存在を無視した状況下で、エネルギー保存則と質量保存則を適用し、最終的な風速および温度プロファイルを導出する。
• X線、UV/可視光、赤外、電波帯域からの観測データを分析し、明確な相を特定：$ T \sim 10^8 $ K（相対論的）、$ 10^7 $ K（高温）、$ 10^4 $ K（温いイオン化ガス）、中性原子および分子ガス。
• 星間吸収線分光法を用いて、出流速度を測定し、質量および運動量出流率を推定する。
• 観測された運動量出流率を、星風、超新星、放射圧による理論的予測と比較し、フィードバック効率を評価する。
• M82の星形成暴走銀河をプロトタイプとして用い、全波長帯域にわたる観測と理論の整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大質量星と超新星からの運動量およびエネルギーの総出力が、多相的銀河風をどのように駆動するか？
• RQ2 衝撃加熱を経ずに、100–1000 km/sという高風速に達するガスは、観測可能な放射または吸収を抑制するような高温に至らない物理的メカニズムは何か？
• RQ3 銀河風の性質（速度、質量、運動量出流率）は、単位面積あたりの星形成率（SFR/A）にどのようにスケーリングするか？
• RQ4 観測された運動量出流率は、大質量星からの運動量入力とどの程度一致するか？これはフィードバック効率に何を示唆するか？
• RQ5 銀河風は、特に金属の放出とハロー加熱の観点から、銀河の化学的進化および銀河間媒体にどのように影響を与えるか？

主な発見

• M82のような強力な出流では、運動量出流率が大質量星からの総運動量入力と同等であるため、効率的な運動量駆動型風加速が行われていることが示唆される。
• M82では、質量出流率が約0.16 $ M_{\odot} $ yr$^{-1} $、金属を運ぶ出流率が約0.14 $ M_{\odot} $ yr$^{-1} $ であり、金属の放出が星形成率と同等に効率的に行われていることが示された。
• 温いイオン化ガス相の出流速度は、SFR/Aに強く依存しており、SFR/Aが高い系では銀河脱出速度を超える速度が観測されている。
• 高温相（$ T \sim 10^7 $ K）と温いイオン化ガス相（$ T \sim 10^4 $ K）は、M82のような銀河で小径方向にきつい空間的相関を示しており、共通の駆動メカニズムを支持する。
• 冷たい、密度の高い相におけるダストへの放射圧も、特に高SFR環境では加速に寄与する可能性がある。
• 銀河風は多相的であり、相対論的プラズマから冷たい分子ガスまで多様な成分を含み、X線、UV、赤外、電波帯域にわたる多波長観測によってその性質が最もよく制約される。