[論文レビュー] PRISM: A Non-Equilibrium, Multiphase Interstellar Medium Model for Radiation Hydrodynamics Simulations of Galaxies

Harley Katz, Shenghua Liu+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 9, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

PRISM は、RAMSES-RTZ コード内でのオンザフライ多周波数放射輸送と組み合わせた 115 種類の化学種ネットワークを備えた非平衡、多相性の銀河間媒体（ISM）モデルである。広範な金属量の範囲で主要な冷却・加熱過程を正確に捉え、非平衡効果により電子密度が平衡状態から 3 倍以上ずれることが判明し、ISM の熱力学および観測可能な線スペクトルに顕著な影響を与える。

ABSTRACT

We introduce the PRISM interstellar medium (ISM) model for thermochemistry and its implementation in the RAMSES-RTZ code. The model includes a non-equilibrium primordial, metal, and molecular chemistry network for 115 species coupled to on-the-fly multifrequency radiation transport. PRISM accurately accounts for the dominant ISM cooling and heating processes in the low-density regime (i.e. $ρ<10^5\ { m cm^{-3}}$), including photoheating, photoelectric heating, H$_2$ heating/cooling, cosmic-ray heating, H/He cooling, metal-line cooling, CO cooling, and dust cooling (recombination and gas-grain collisions). We validate the model by comparing 1D equilibrium simulations across six dex in metallicity to existing 1D ISM models in the literature. We apply PRISM to high-resolution (4.5 pc) isolated dwarf galaxy simulations that include state-of-the-art models for star formation and stellar feedback to take an inventory of which cooling and heating processes dominate each different gas phase of a galaxy and to understand the importance of non-equilibrium effects. We show that most of the ISM gas is either close to thermal equilibrium or exhibits a slight cooling instability, while from a chemical perspective, the non-equilibrium electron fraction is often more than three times higher or lower than the equilibrium value, which impacts cooling, heating, and observable emission lines. Electron enhancements are attributed to recombination lags while deficits are shown to be due to rapid cosmic-ray heating. The PRISM model and its coupling to RAMSES-RTZ is applicable to a wide variety of astrophysical scenarios, from cosmological simulations to isolated giant molecular clouds, and is particularly useful for understanding how changes to ISM physics impact observable quantities such as metallic emission lines.

研究の動機と目的

• 銀河内の化学、放射、熱力学の複雑な結合を正確に捉える物理的根拠に基づいた非平衡 ISM モデルの開発。
• 1D 平衡モデルの限界を克服し、自己一貫性のある放射および化学反応を伴う 3D 時間依存型 ISM シミュレーションの実現。
• 特に電子密度に及ぼす非平衡効果の影響を定量化し、ISM の冷却・加熱および観測可能な線スペクトルに与える影響を評価。
• 金属量の 6 デシケードの範囲で、既存の 1D 平衡 ISM モデルと比較してモデルの妥当性を検証。
• 孤立矮星銀河の高解像度シミュレーションにモデルを適用し、ガス相ごとの冷却・加熱プロセスの優位性を評価。

提案手法

• 115 種類の化学種（H2、CO、金属イオンなど含む）を含む非平衡初期物質・金属・分子化学ネットワークの実装。
• RAMSES-RTZ コード内でのオンザフライ多周波数放射輸送と化学ネットワークの結合により、放射場とガス状態の自己一貫したフィードバックを可能に。
• 主な ISM プロセスを含む：光加熱、光電離加熱、H2 の加熱・冷却、宇宙線加熱、H/He の冷却、金属線冷却、CO の冷却、再結合およびガス-粒子衝突によるダスト冷却。
• 冷却計算の正確性を高めるために、CLOUDY キャリブレーション済みの微細構造衝突率を用い、複数の衝突相手（H、H+、H2、e−、He など）に対応。
• 金属量の 6 デシケードにわたる文献モデル（Koyama & Inutsuka 2000；Wolfire et al. 2003；Bialy & Sternberg 2019；Kim et al. 2022）との 1D 平衡ベンチマークを実施。
• 星形成と星間爆発フィードバックを含む 3D 高解像度（4.5 pc）の孤立矮星銀河シミュレーション（G8 および G9）にモデルを適用し、相ごとの加熱・冷却および非平衡ダイナミクスを研究。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非平衡状態における電子密度の変動が、銀河規模のシミュレーションにおける ISM の熱力学および冷却・加熱率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 現実的なフィードバックを伴う孤立矮星銀河において、異なるガス相（例：CNC、WNM、HIM）でどの冷却・加熱プロセスが優位に働くか？
• RQ3 時間依存の放射および化学反応を含む 3D シミュレーションは、1D 平衡モデルと比較して、原子状から分子状への遷移および相構造予測においてどの程度異なるか？
• RQ4 金属量および放射場の変動が、電子密度の平衡値からのずれにどのように影響を与えるか？
• RQ5 非平衡状態の電子密度が、特に低金属量環境における観測可能な線スペクトルに及ぼす影響は何か？

主な発見

• ISM の非平衡状態における電子密度は、再結合の遅れと急速な宇宙線加熱のため、平衡値を 3 倍以上上回るか、下回る場合がある。
• モデルは、大多数の ISM ガスが熱的平衡に近いか、やや弱い冷却不安定性を示すことを示しており、非平衡効果は顕著であるが、全体の相構造においては支配的ではないことを示している。
• 3D シミュレーションでは、可変な FUV 放射、自己遮蔽、イオン化フィードバックを組み込むことで、1D モデルよりも原子状から分子状への遷移が速やかに進行することが判明した。
• 冷却時間が再結合時間よりも速い場合の再結合遅れが電子密度の増加を引き起こし、逆に再結合に追いつかない急速な宇宙線加熱が電子密度の不足を引き起こす。
• PRISM モデルは、金属量の 6 デシケードにわたる平衡温度-密度関係を正確に再現しており、密度が ≤10³ cm⁻³ の範囲では僅かな差異（≤10%）しか示さない。
• 本モデルは、矮星銀河における温度揺らぎが金属量測定に与える影響を示す応用に成功しており（Cameron et al. 2022）、観測診断の解釈に有用であることが示された。