[論文レビュー] Sturm und Drang: Supernova-Driven Turbulence, Magnetic Fields, and Cosmic Rays in the Chaotic Starburst Interstellar Medium

Brian C. Lacki|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、超新星駆動乱流がフラクチュエーションダイナモを介して磁場増幅を引き起こし、星形成暴走銀河における乱流エネルギーと等価な磁場を形成すると提案する。超新星からのエネルギー効率的転送により、星間媒体（ISM）の全相において、アープ220では最大2 mGに達する強力な磁場が予測される。これは宇宙線の閉じ込めや、電波パラリゼーション、X線線幅拡張といった観測的特徴に大きな影響を及える。

ABSTRACT

Frequent supernova explosions in compact starburst regions are a main shaper of these regions' interstellar media (ISM). In most starbursts, the supernova remnants blast open a hot phase that fills the regions and launches a superwind. Denser starbursts are too overpressured for hot wind formation, but supernovae still stir up the ISM. I argue that supernovae power ubiquitous turbulence through each of the starburst ISM phases, including the hot wind, and that a fluctuation dynamo amplifies magnetic fields until they are in equipartition with the turbulence. Supernovae can drive turbulence with speeds of ~1000 km/s in the hot wind and ~20 km/s in the cold molecular gas, depending on the outer scale. I predict magnetic field strengths of 70 muG in the Galactic Center starburst, 300 muG in M82 and NGC 253, and 2 mG in Arp 220's nuclei. The mean magnetic field strengths are a few times stronger in molecular gas than in hot winds, but do not vary strongly with density within a starburst. I explain how the dominance of supernova-driven turbulence leads to near equipartition between the components of starburst ISM. I also consider implications for cosmic ray (CR) diffusion in starbursts. The high amounts of power cascading to small scales could confine CRs very effectively in starbursts, so much that CR transport is dominated by the flow of gas rather than diffusion through the gas. In addition, I discuss the effects of turbulence on X-ray line width, the far-infrared--radio correlation, observed radio polarization, and Faraday rotation measures. Finally, I discuss the many questions raised regarding the physics of turbulence in starbursts.

研究の動機と目的

• 星形成暴走銀河の星間媒体（ISM）の全相、特に高温風と寒冷分子ガスにおいて、超新星爆発がどのように乱流を駆動するかを説明すること。
• 高密度・高圧力環境下の星形成暴走状態において、フラクチュエーションダイナモが乱流エネルギーと等価な磁場を増幅する役割を調査すること。
• 超新星エネルギー入力と乱流スケーリングに基づき、銀河中心、M82、NGC 253、アープ220といった極端な星形成暴走銀河における磁場強度を定量化すること。
• 乱流が宇宙線拡散に与える影響を検討し、星形成暴走銀河では拡散ではなくガスの流れが支配的である可能性を示すこと。
• 超新星駆動のスーパーウインドの存在と整合する観測的制約（X線全放射度とFIR-電波相関）を統合すること。

提案手法

• 超新星エネルギー供給率と乱流スケーリング則を用いて、高温風および寒冷分子相における乱流速度分散を推定する。
• エネルギー等価条件（乱流と磁場エネルギーが等価）を仮定し、フラクチュエーションダイナモ理論を適用して磁場増幅をモデル化する。
• 高温風からの自由自由放射の計算を用いてX線全放射度を推定し、観測されたX線-SFR相関と比較する。
• 等価条件 $ B^2/8\pi \sim \rho v^2/2 $ を用いて磁場強度を導出する。ここで $ v $ は超新星エネルギーの堆積から得られる。
• 予測を検証するため、電波パラリゼーション、ファラデー回転測定値、X線線幅といった観測的診断指標を分析する。
• 理論的予測と観測されたX線全放射度、FIR-電波相関を比較し、コンact ULIRGにおけるスーパーウインドの妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星は、高温風と寒冷分子ガスを含む星形成暴走ISMの全相において、どの程度まで乱流を駆動するか？
• RQ2 高圧力・高密度の星形成暴走環境下で、フラクチュエーションダイナモが乱流エネルギーと等価な磁場を増幅できるか？
• RQ3 アープ220、M82、銀河中心といった極端な星形成暴走銀河における予測磁場強度は何か？また、ISMの相に応じてどのように変化するか？
• RQ4 乱流支配的輸送が星形成暴走銀河における宇宙線の閉じ込めに与える影響は何か？これは、宇宙線拡散と対流のどちらが支配的かを示唆するか？
• RQ5 観測されたX線全放射度とFIR-電波相関は、高表面密度のコンact星形成暴走銀河にスーパーウインドが存在することと整合的か？

主な発見

• 超新星は、乱流の外側スケールに依存して、高温風では約1000 km s⁻¹、寒冷分子ガスでは約20 km s⁻¹の乱流を駆動する。
• フラクチュエーションダイナモを介した磁場増幅により、磁場は乱流エネルギーと等価にまで増幅され、銀河中心で約70 μG、M82およびNGC 253で約300 μG、アープ220の核部では最大2 mGに達する。
• 分子ガスにおける平均磁場強度は高温風よりも数倍強いが、星形成暴走環境内では密度に強く依存しない。
• 超新星駆動乱流の支配的状態により、星形成暴走ISMにおける乱流、磁場、熱エネルギー成分がほぼ等価に近づく。
• 乱流における高パワーの小スケールへのキャスケードは、宇宙線の強力な閉じこめを引き起こし、その結果、宇宙線輸送は拡散ではなくガスの流れが支配的になる。
• X線観測はM82におけるスーパーウインドの存在と整合的であるが、アープ220のようなコンact ULIRGでは、X線が弱く、コンプトン遮蔽のため、風からの自由自由放射の検出が困難であるという矛盾が生じる。