[論文レビュー] On the structure of the turbulent interstellar atomic hydrogen. I- Physical characteristics

P. Hennebelle, E. Audit|CERN Bulletin|Dec 29, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 91

ひとこと要約

本稿では、乱流的で熱的に二重安定な原子素性水素（HI）の高解像度2次元数値シミュレーションを提示し、温い中性媒体（WNM）における低音速乱流が自然に、質量スペクトルが 𝒩(M) ∝ M⁻¹.⁷ に比例する冷たい中性媒体（CNM）クラスタを生成することを示している。これは観測されたCOクラスタスペクトルと密接に一致する。結果は、CNM構造が低音速でほぼ等温な流れにおける密度揺らぎから生じ、速度スペクトルが渦度成分の優勢と圧力で閉じ込められた構造のため、Kolmogorovスケーリングに従い、非圧縮性の特徴を示すが、これは圧縮性の高い等温乱流とは根本的に異なる。

ABSTRACT

{We study in some details the statistical properties of the turbulent 2-phase interstellar atomic gas.{We present high resolution bidimensional numerical simulations of the interstellar atomic hydrogen which describe it over 3 to 4 orders of magnitude in spatial scales.}{The simulations produce naturally small scale structures having either large or small column density. It is tempting to propose that the former are connected to the tiny small scale structures observed in the ISM. We compute the mass spectrum of CNM structures and find that ${\cal N}(M) dM \propto M ^{-1.7} dM$, which is remarkably similar to the mass spectrum inferred for the CO clumps. We propose a theoretical explanation based on a formalism inspired from the Press & Schecter (1974) approach and used the fact that the turbulence within WNM is subsonic. This theory predicts ${\cal N}(M) \propto M ^{-5/3}$ in 2D and ${\cal N}(M) \propto M ^{-16/9}$ in 3D. We compute the velocity and the density power-spectra and conclude that, although the latter is rather flat, as observed in supersonic isothermal simulations, the former follows the Kolmogorov prediction and is dominated by its solenoidal component. This is due to the bistable nature of the flow which produces large density fluctuations even when the rms Mach number (of WNM) is not large. We also find that, whereas the energy at large scales is mainly in the WNM, at smaller scales, it is dominated by the kinetic energy of the CNM fragments.}

研究の動機と目的

• 空間スケール3～4桁の範囲で、乱流的で熱的に二重安定な原子素性水素（HI）の統計的性質を調査すること。
• 特に質量分布と力学的性質に関して、HI中に観測された小スケールCNMクラスタの起源と構造を理解すること。
• 低音速でほぼ等温なWNMにおける乱流が、CNM断片の形成と安定性にどのように寄与するかを特定すること。
• 微小な原子構造（TSAS）や低列密度雲といった観測的特徴とシミュレーション結果を比較すること。
• 数値的解像度と熱伝導の影響が、流れの統計的性質に及ぼす影響を評価すること。

提案手法

• 従来の研究より10倍以上小さいスケールまで解像度を高めた、熱的に二重安定なHI流れの高解像度2次元数値シミュレーション。
• 乱流をモデル化するため、低音速でほぼ等温なWNMを用い、CNMは熱不安定性と破壊によって形成される。
• 低音速ガスにおける密度揺らぎを仮定し、Press & Schechter形式を用いてCNM質量関数の理論的予測を導出。
• スケールごとの乱流特性とエネルギー分布を分析するため、密度場および速度場のパワースペクトルを計算。
• 数値的収束性と物理的頑健性を評価するため、解像度と熱伝導率を体系的に変化させた。
• 観測データと比較するため、列密度、質量、および速度分散の分布の統計的解析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測されたCNMクラスタの質量スペクトルの起源は何か？ また、COクラスタの質量スペクトルとどのように比較できるか？
• RQ2 低音速で熱的に二重安定なHI流れにおける乱流は、圧縮性の高い等温乱流と比較して、速度スペクトルおよび密度スペクトルにおいてどのように異なるか？
• RQ3 このモデルにおけるCNM断片は、高レベルの乱流にもかかわらず長期間にわたり安定しているが、その理由は何か？ 圧力平衡はどのような役割を果たすか？
• RQ4 異なる空間スケールにおいて、WNMとCNM間のエネルギー分配はどのように変化するか？
• RQ5 数値的解像度と熱伝導は、シミュレートされたHI構造の統計的性質にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• CNM質量スペクトルは 𝒩(M) ∝ M⁻¹.⁷ に従い、観測されたCOクラスタの質量スペクトルと密接に一致しており、これは広がりのある原子ガス内に共通の起源がある可能性を示唆している。
• Press & Schechter形式に基づく理論的モデルは、2次元では 𝒩(M) ∝ M⁻⁵⁄³、3次元では 𝒩(M) ∝ M⁻¹⁶⁄⁹ を予測し、観測された質量関数の物理的説明を提供している。
• 速度パワースペクトルはKolmogorov予測（k⁻⁵⁄³）に従い、圧縮性成分よりも渦度成分（非圧縮性）が支配的である。これは圧縮性の高い等温乱流とは異なり、根本的に異なる。
• 約1 pcより大きなスケールでは運動エネルギーがWNMに支配されるが、1 pc未満のスケールでは、CNM断片の移動運動が支配的になる。
• 密度パワースペクトルは比較的平坦であり、圧縮性の高い等温乱流と一致するが、構造は圧力で閉じ込められており、長期間にわたり安定している。これは圧縮性の高い流れにおける衝撃波で閉じ込められた構造とは根本的に異なる。
• 熱伝導は小スケール構造にやや影響を及ぼすが、流れの統計的性質に顕著な影響は及ぼさない。