[論文レビュー] The Distribution of Thermal Pressures in the Interstellar Medium

E. B. Jenkins, Todd M. Tripp|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2001

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ハッブル宇宙望遠鏡のSTIS機器を用いて得られた高分解能紫外吸収スペクトルを用い、中性炭素（C I）の微細構造準位を介して中性銀河間媒体の熱的圧力を測定する。その結果、大部分のガスは中程度の圧力（10³–10⁴ cm⁻³ K）に存在するが、非常に高い圧力（>10⁵ cm⁻³ K）に存在する少数だが広範にわたるガス成分が存在することが判明した。これは、断続的で小スケールの圧縮が音速を超える乱流によって引き起こされており、ガスの力学的挙動と分子形成に影響を与える可能性がある。

ABSTRACT

It is generally recognized that the interstellar medium has a vast range of densities and temperatures. While these two properties are usually anticorrelated with each other, there are nevertheless variations in their product, i.e., the thermal gas pressure divided by the Boltzmann constant k. In neutral gas, the relative populations of neutral carbon atoms in the excited fine-structure states can give a direct measure of a local thermal pressure. A picture of the distribution function for thermal pressures in H I regions is now arising from a survey of interstellar C I absorption features in the UV spectra of 21 early-type stars, observed with a wavelength resolving power of 200,000 by the STIS instrument on the Hubble Space Telescope. Most of the gas is within the range 1000 < p/k < 10,000 cm^{-3}K, but there is also evidence for some of the material being at much higher pressures, i.e., p/k > 10^5 cm^{-3}K. While the fraction of gas at these elevated pressures is quite small, it seems nearly ubiquitous. This phenomenon may arise from small-scale, short-lived density enhancements that are produced by converging flows of material in supersonic turbulence.

研究の動機と目的

• 中性炭素（C I）の微細構造遷移を用いて、中性銀河間媒体における熱的圧力の分布をマッピングすること。
• UV吸収スペクトルにおけるC I励起状態の分析を通じて、星間ガスの運動的および物理的状態を特定すること。
• 熱的分布から逸脱する高圧力ガス成分の起源を調査すること。
• 乱流がISM内に一時的な高圧力構造を生成する役割を評価すること。

提案手法

• ハッブル宇宙望遠鏡のSTIS機器を用いた21個の早期型星の高分解能紫外分光測定（λ/Δλ = 200,000）。
• 9個のC I多重準位を対象に、300個の一次方程式を同時にフィッティングし、径速度関数としてC I、C I*、C I**の柱密度プロファイルを導出する。
• f1 = N(C I*)/N(C I_total) および f2 = N(C I**)/N(C I_total) を用いて、位相空間図における熱的圧力を表す診断変数とする。
• 吸収成分を静止状態（許容速度範囲内）、高速、低速のカテゴリに分類し、圧力寄与を分離する。
• 観測されたf1–f2点と理論的定温トラックを比較し、熱的圧力（p/k）を推定する。
• 重心の原理を適用して、重ね合わせた成分を、異なる圧力領域の重ね合わせと解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性銀河間媒体における熱的圧力の分布は、C I微細構造準位によってどのように特徴づけられるか？
• RQ2 f1–f2図において、C I吸収成分の大部分が理論的圧力トラックの上に位置する理由は何か？
• RQ3 観測された高圧力ガス成分（p/k > 10⁵ cm⁻³ K）を生成する物理的メカニズムは何か？これらの成分は熱的平衡状態にない。
• RQ4 運動的成分（例：異常運動）とISM内の圧力分布との相関関係は何か？
• RQ5 音速を超える乱流は、ISM内に一時的かつ一時的な高圧力構造を生成する要因となり得るか？

主な発見

• 全サンプルの中央値熱的圧力は、温度約40 Kの下で p/k = 2240 cm⁻³ K であった。
• C Iの柱密度の65%が圧力範囲 10³.⁰–10³.⁵ cm⁻³ K に、28.5%が 10³.⁵–10⁴.⁰ cm⁻³ K に存在した。
• C Iの柱密度の3.7%が 10⁴.⁰ cm⁻³ K を超える圧力に存在し、そのうちの顕著な割合が p/k > 10⁵ cm⁻³ K に存在した。
• すべての高圧力成分（f2 > 0.3）で、p/k ~ 10⁵–10⁶ cm⁻³ K は、λ Cepの前で孤立した負の径速度成分に関連しており、おそらく星風による圧縮が原因である。
• 理論的圧力トラックよりも上にずれた観測点は、10³–10⁴ cm⁻³ K の低圧力ガスと、p/k > 10⁵ cm⁻³ K のわずかな高圧力ガスのほぼ普遍的な重ね合わせを示している。
• 高圧力ガスは、音速を超える乱流における収束流による短時間の小スケール圧縮によって生成されており、その圧縮時間スケールは熱的緩和時間よりもはるかに短い。