[論文レビュー] Superbubble evolution in disk galaxies, I. Study of blow-out by analytical models

V. Baumgartner, D. Breitschwerdt|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 53被引用数 16

ひとこと要約

本稿では、銀河の円盤におけるスーパーバブルの進化を、超新星からの時間に依存するエネルギー入力のもとで、ハローへの吹き出しを重点的に分析する高度な解析的モデルを開発する。吹き出しのための臨界エネルギー閾値を導出し、レイノルズ不安定性の発生時刻を定量的に評価することで、局所バブルやW4のような観測構造との直接比較を可能にする。

ABSTRACT

Galactic winds are a common phenomenon in starburst galaxies in the local universe as well as at higher redshifts. Their sources are superbubbles driven by sequential supernova explosions in star forming regions, which carve out large holes in the interstellar medium and eject hot, metal enriched gas into the halo and to the galactic neighborhood. We investigate the evolution of superbubbles in exponentially stratified disks. We present advanced analytical models for the expansion of such bubbles and calculate their evolution in space and time. With these models one can derive the energy input that is needed for blow-out of superbubbles into the halo and derive the break-up of the shell, since Rayleigh-Taylor instabilities develop soon after a bubble starts to accelerate into the halo. The approximation of Kompaneets is modified in order to calculate velocity and acceleration of a bubble analytically. Our new model differs from earlier ones, because it presents for the first time an analytical calculation for the expansion of superbubbles in an exponential density distribution driven by a time-dependent energy input rate. The time-sequence of supernova explosions of OB-stars is modeled using their main sequence lifetime and an initial mass function. We calculate the morphology and kinematics of superbubbles powered by three different kinds of energy input and we derive the energy input required for blow-out as a function of the density and the scale height of the ambient interstellar medium. The Rayleigh-Taylor instability timescale in the shell is calculated in order to estimate when the shell starts to fragment and finally breaks up. Analytical models are a very efficient tool for comparison to observations, like e.g. the Local Bubble and the W4 bubble discussed in this paper, and also give insight into the dynamics of superbubble evolution.

研究の動機と目的

• 時間に依存する超新星エネルギー入力によって駆動される指数的密度構造を示す銀河間銀河媒体（ISM）におけるスーパーバブルの拡張と吹き出しをモデル化すること。
• 重力的および圧力的力の影響を考慮して、スーパーバブルが円盤を脱出しハローに到達するための最小エネルギー入力を特定すること。
• 吹き出し後に殻の内部で発生するレイノルズ＝ターレイ不安定性の発生時刻を計算し、これが破片化およびハローへの物質放出を支配することを明らかにすること。
• 局所バブル や W4 といった既知の銀河的バブルの観測データを解釈するための解析的ツールを提供すること。
• 形態的特徴と運動学的パラメータを物理的パラメータと結びつける。

提案手法

• 時間に依存するエネルギー入力を伴う指数的密度プロファイルにおけるスーパーバブル拡張をモデル化するため、コンパネーツ近似を適応・拡張する。
• OB星の初期質量関数（IMF）と主系列寿命を用いて、超新星エネルギー入力の時系列をモデル化し、時間に依存するエネルギー入力率を導出する。
• 変換された時間変数と体積微分を用いて、バブルの半径、速度、加速度の解析的表現を導出する。
• 吹き出し後の殻におけるレイノルズ＝ターレイ不安定性の時定数を計算し、破片化がいつ開始されるかを推定する。
• 異なる銀河的パラメータに一般化できるように、スケール高さで正規化された次元なし時間変数 $\tilde{y}$ を導入する。
• 円盤内の内部圧力と重力ポテンシャルのバランスを分析することで、臨界エネルギー入力と吹き出し時刻を解明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 指数的密度構造を示す周囲ISMにおいて、スーパーバブルが銀河ハローへの吹き出しを達成するために必要な最小エネルギー入力は何か？
• RQ2 連続する超新星からの時間に依存するエネルギー入力は、スーパーバブルの加速および形態的特徴にどのように影響を与えるか？
• RQ3 吹き出し後にレイノルズ＝ターレイ不安定性が殻を破片化し始めるのはどの時刻か？
• RQ4 定常風モデルと比較して、IMFに基づくエネルギー入力モデル（例：定常風対時間に依存するSN入力）は、スーパーバブル拡張の力学にどのように影響を与えるか？
• RQ5 解析的モデルは、局所バブル や W4 といった既知のバブルの観測された運動学的および形態的特徴を再現できるか？

主な発見

• 吹き出しのための臨界エネルギー入力は、周囲ISMの密度とスケール高さに比例し、密度が高いほど脱出に必要なエネルギーが顕著に増加する。
• モデルは、バブル内部圧力が重力ポテンシャルウエルを上回った時点で吹き出しを達成すると予測しており、加速の開始はエネルギー入力率と円盤スケール高さに依存する。
• 吹き出し後、殻におけるレイノルズ＝ターレイ不安定性の時定数は、密度対比および磁場効果を考慮して、約 $\sim 1-3$ Myr のオーダーで推定される。
• 局所バブルに関しては、観測されたサイズおよび拡張速度を説明するため、最小で $\sim 10^{51}$ erg のエネルギー入力が必要であるとモデルが示唆する。
• IMFに基づくエネルギー入力モデルは、定常風モデルに比べて、エネルギー供給の時間的変化をより現実的に再現しており、ピークエネルギー放出は $\sim 2-3$ Myr の間に発生すると推定される。
• 解析的フレームワークは、W4スーパーバブルの運動学的および形態的特徴（特に縦長の形状と観測されたX線放射）を成功裏に再現している。