[論文レビュー] Is the Plasma Within Bubbles and Superbubbles Hot or Cold?

Mordecai‐Mark Mac Low|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、星風バブルやスーパーバブル内のプラズマが高温（数百万度）か低温かを調査し、衝撃加熱によって高温が予測される古典的モデルに挑戦する。マクロウは、X線放出が観測されるが、理論予測よりもはるかに弱いか、逆に強い場合が多く、これが低温の内部が想定よりも一般的である可能性を示唆している。特に、伝導的蒸発と冷却が加熱を上回る、NGC 6888のような進化した系では顕著である。

ABSTRACT

I review what is known about the temperature of the plasma within stellar wind bubbles and superbubbles. Classical theory suggests that it should be hot, with characteristic temperatures of order a million degrees. This temperature should be set by the balance between heating by the internal termination shocks of the central stellar winds and supernovae, which expand at thousands of km/s, and cooling by conductive evaporation of cold gas off the shell walls. However, if the hot interior gas becomes dense enough due to evaporation or ablation off of interior clouds, it will cool in less than a dynamical time, leading to a cold interior. The observational evidence appears mixed. On the one hand, X-ray emission has been observed from both stellar wind bubbles and superbubbles. On the other hand, no stellar wind bubble or superbubble has yet been observed emitting at the rate predicted by the classical theory: they are either too faint or too bright, by up to an order of magnitude. Alternate explanations have been proposed for the observed emission, including off-center supernova remnants hitting the shell walls of superbubbles, and residual emission from highly-ionized gas out of coronal equilibrium. Furthermore, the structures of post-main sequence stellar wind bubbles, expanding into what are presumably old stellar wind bubbles, appear in at least some cases to show that the bubble interior is cold, not hot. (The classical example of this is NGC 6888.) What is the actual state of bubble and superbubble interiors?

研究の動機と目的

• 星風バブルおよびスーパーバブル内のプラズマの熱的状態を評価し、古典理論が予測するように内部が真に高温であるかどうかを検討すること。
• 観測されたX線放出と理論的予測の一致を図ること。理論的予測はしばしば1桁の違いを示す。
• 密度の高い雲からの伝導的蒸発や剥がれが、内部プラズマの急速な冷却を引き起こし、内部が加熱されても低温を維持する原因となるかどうかを評価すること。
• NGC 6888のような進化した系からの構造的証拠を検討し、低温内部が観測的に支持されているかどうかを判断すること。
• X線放出の代替的説明、例えば非中心部の超新星残骸や非平衡イオン化効果を評価すること。

提案手法

• 星風と超新星からの内部加熱（約1000 km/s）と、伝導的蒸発による冷却のバランスに注目した、バブル形成の古典的モデルをレビューする。
• シェルの壁からの冷たいガスの蒸発が密度を上昇させ、動的時効スケール内での急速な冷却を引き起こす役割を分析する。
• 既知のバブルおよびスーパーバブルのX線望遠鏡からの観測データを評価し、放射度を理論的期待値と比較する。
• 観測されたX線放出が平衡モデルと一致しない場合の非平衡イオン化効果を、可能性のある説明として検討する。
• NGC 6888のような進化したバブルの形態的特徴を検討し、構造と放射パターンから内部温度を推定する。
• 外部の超新星残骸がバブルシェルに衝突することで生じるX線放出の可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜバブルおよびスーパーバブルにおける観測されたX線の縦断的光度が、古典的理論的予測から最大1桁のずれを示すことが多いのか？
• RQ2 シェルの壁からの冷たいガスの伝導的蒸発が、内部プラズマの急速な冷却を引き起こす条件は何か？
• RQ3 NGC 6888のような進化した星風バブルの内部は、構造的および放射データに基づいて、真に高温ではなく低温であると見なせるのか？
• RQ4 非平衡イオン化や非中心部の超新星残骸が、高温内部を必要とせずに観測されたX線放出を説明できるか？
• RQ5 内部加熱源が存在する中で、プラズマが高温を保ち続けるか、低温状態に移行するかを決定づける要因は何か？

主な発見

• 古典理論では、星風や超新星からの衝撃加熱によって内部が高温（約10^6 K）になると予測されるが、観測されたX線放出は理論予測と顕著に乖離している。
• NGC 6888のような進化したバブルでは、内部が低温に見えることがあり、これは伝導的蒸発と剥がれが加熱を上回り、プラズマを急速に冷却することを示唆している。
• 星風バブルおよびスーパーバブルの両方でX線放出が観測されるが、光度は理論的期待値と比較して最大1桁のずれを示しており、過剰または不足している。
• X線放出の代替的説明として、非中心部の超新星残骸がシェルに衝突する現象や、コーラル平衡にない高イオン化ガスからの残存放射が挙げられる。
• 内部に高密度の雲が存在する、または蒸発によって密度が上昇すると、プラズマは動的時効スケール未満で冷却され、低温内部が形成される。
• 理論と観測の乖離は、多くのバブルの内部が従来の予想よりも冷たい可能性を示唆しており、標準的な高温プラズマモデルに挑戦するものである。