[論文レビュー] The Distribution of Pressures in a Supernova-Driven Interstellar Medium

Mordecai‐Mark Mac Low, Dinshaw S. Balsara+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、3次元流体・磁気流体力学的シミュレーションを用いて、超新星駆動型銀河的空間媒体（ISM）内の圧力分布を調査し、圧力分布が熱的平衡ではなく乱流によって駆動される広範な対数正規分布であることを明らかにした。主な発見は、大部分のガスが熱的平衡にないことであり、圧力は衝撃波や希薄化波によって動的に決定される。これは、多相ISMモデルにおける等圧相の仮定に反するものであり、分子雲が重力的閉じ込めではなく一時的で高圧力の乱流領域において形成されることを示唆している。

ABSTRACT

Observations have suggested substantial departures from pressure equilibrium in the interstellar medium (ISM) in the plane of the Galaxy, even on scales under 50 pc. Nevertheless, multi-phase models of the ISM assume at least locally isobaric gas. The pressure then determines the density reached by gas cooling to stable thermal equilibrium. We use two different sets of numerical models of the ISM to examine the consequences of supernova driving for interstellar pressures. The first set of models is hydrodynamical, and uses adaptive mesh refinement to allow computation of a 1 x 1 x 20 kpc section of a stratified galactic disk. The second set of models is magnetohydrodynamical, using an independent code framework, and examines a 200 pc cubed periodic domain threaded by magnetic fields. Both of these models show broad pressure distributions with roughly log-normal functional forms produced by both shocks and rarefaction waves, rather than the power-law distributions predicted by previous work, with rather sharp thermal pressure gradients. The width of the distribution of the logs of pressure in gas with log T < 3.9 is proportional to the rms Mach number in that gas, while the distribution in hotter gas is broader, but not so broad as would be predicted by the Mach numbers in that gas. Individual parcels of gas reach widely varying points on the thermal equilibrium curve: no unique set of phases is found, but rather a dynamically-determined continuum of densities and temperatures. Furthermore, a substantial fraction of the gas remains entirely out of thermal equilibrium. Our results appear consistent with observations of interstellar pressures, and suggest that the pressures observed in molecular clouds may be due to ram pressure rather than gravitational confinement.

研究の動機と目的

• 標準的な多相モデルで仮定されているように、銀河的空間媒体（ISM）が局所的圧力平衡を維持しているかどうかを調査すること。
• 特に乱流および磁場の存在下で、超新星駆動型ISMにおける圧力の起源と分布を特定すること。
• 動的条件下でのISM構造を予測するための熱的平衡相図の妥当性を評価すること。
• 観測されたISM圧力の変動が重力的閉じ込めではなく、動的プロセスによって説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 適応メッシュ細分化（AMR）を用いた数値シミュレーションにより、超新星駆動の20 kpcの垂直断面（1×1×20 kpc）をモデル化した。
• 強磁場と分散加熱を有する(200 pc)³の周期的領域における磁気流体力学（MHD）シミュレーションを実施した。
• 対数T < 3.9のガスおよび高温成分における圧力確率分布関数（PDF）の分析を行った。
• パスォとヴァスケス＝セマデンイ（1998）の多圧指数可撓乱理論を用いて、対数正規圧力PDFを解釈した。
• 紫外線およびSTIS吸収線測定による観測データと、シミュレートされた圧力分布を比較した。
• 個々のガスパラメータを乱流の流れに追跡することで、熱的平衡と動的圧力制御の両者を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISMは、熱的平衡ではなく、超新星駆動乱流によって広範な圧力分布を示すか？
• RQ2 衝撃波と希薄化波は、ISMにおける圧力分布にどの程度寄与しているか？
• RQ3 異なる温度領域におけるマッハ数に応じて、圧力PDFの幅はどのようにスケーリングするか？
• RQ4 圧力が動的に制御されている場合、熱的平衡相図はISM構造を正確に予測できるか？
• RQ5 分子雲で観測される高圧力は、重力的閉じ込めによるものか、それとも乱流の流れによる衝撃圧力によるものか？

主な発見

• ISMにおける圧力分布は、べき乗則ではなく広範な対数正規分布である。冷却ガス（log T < 3.9）では、対数圧力分布の幅がルート平均二乗マッハ数に比例する。
• 高温ガスでは、マッハ数の予測を上回る広い圧力分布を示しており、単純な乱流スケーリングを超える追加の動的制御要因があることを示唆している。
• 多くのガスが熱的平衡にないことが判明し、密度と温度が熱的平衡曲線から著しく離れている。
• 一意の相が存在しない。代わりに、密度と温度の連続的で動的に決定された分布が観測された。
• 等圧領域は、若年性の超新星残骸の内部にのみ存在し、それは乱流媒体内での唯一の層流領域である。
• 分子雲に類似した密度と圧力（平均ISM圧力の最大10倍）は、自己重力が存在しない状況でも、一時的に高圧力乱流領域で形成され、星形成雲の乱流的起源を支持する。