[論文レビュー] The Gould Belt, star formation, and the local interstellar medium

I. A. Grenier|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2004

Astro and Planetary Science被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、局所的星形成および銀河間物質の力学に重要な役割を果たすゴウルド帯の構造的意義を調査し、過去の高エネルギーイベントがガスおよび星の3次元拡張シェルを引き起こした可能性を提唱する。運動論的データ、X線およびガンマ線観測を用いて、ゴウルド帯では平均を上回る超新星およびパルサーの発生率が確認され、パルサー生成モデルの推定により、未検出の電波非放射性ガンマ線パルサーが2～3個の未解明高エネルギー源の主な起源である可能性が示唆される。これは、現在のパルサー放射モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The history of the local medium, within a few hundred parsecs, is dominated by the evolution of the Gould Belt. The event that triggered this star-forming region and molded the gas distribution is still unknown. Its orientation and extent are reasonably well determined and its expansion matches the space and velocity distributions of many large HI and H2 clouds within half a kiloparsec. The present rim coincides with most of the nearby OB associations, but their mean velocity does not seem to be related to the Belt expansion. The Belt age is uncertain by a factor of 2 because of the discrepancy found between the dynamical timescale (20 to 30 Myr) and the stellar ages (30 to 60 Myr). The stellar content is derived from kinematic studies for massive stars and from X-ray observations for young solar-mass ones. Whether star formation is active along the rim or spread over a larger fraction of the disc is debated. The Belt flatness and its tilt remain very difficult to interpret. Various scenarii involve the impact of a high-velocity cloud, a cascade of supernovae, the dissolution of a rotating system, or the braking of a supercloud entering the spiral arm. Because of the enhanced star formation, the Belt supernova rate over the past few million years has been 3 to 4 times larger than the local Galactic rate. The corresponding pulsars may be responsible for the population of unknown gamma-ray sources associated with the Belt. The higher rate also implies an enhanced cosmic-ray production locally.

研究の動機と目的

• ゴウルド帯の起源および動的進化を特定すること。ゴウルド帯は太陽系近傍に位置する平板的で傾斜のある星形成構造である。
• 動的時​​間定数（20–30 Myr）と観測された星の年齢（30–60 Myr）の不一致を解明すること。
• ゴウルド帯における増加した超新星発生率が、未解明の高エネルギーガンマ線源の集団を説明できるかを調査すること。
• ゴウルド帯で生まれたパルサー集団をモデル化し、電波非放射性または電波放射性ガンマ線パルサーとしての検出可能性を評価すること。
• 特に高齢パルサーや異なる観測方向を考慮した場合に、ゴウルド帯の特異な環境を用いてパルサー放射モデルを制約すること。

提案手法

• HIおよびCOのスケール高さがそれぞれ90–400 pcおよび74 pcである非一様銀河間物質中での、傾斜付き円筒型衝撃波としてのゴウルド帯3次元拡張をモデル化する。
• ヒッパルコスの運動論的データとROSATのX線サーベイを用い、それぞれ若年大質量星および低質量星の分布をゴウルド帯全体で追跡する。
• パルサー生成率（銀河平面では1–1.4個/世紀、ゴウルド帯では20–24個/Myr）をシミュレートするパopulation合成技術を用い、銀河ポテンシャル下での進化を模擬する。
• スロットギャップおよびアウターギャップモデルを用いてパルサー放射を予測し、ガンマ線放射度が回転減衰パワーに比例すること（$L_\gamma \propto \dot{E}_{sd}^{0.5}$ および $\dot{E}_{sd}^{0.38}$）を想定する。
• EGRETデータと比較して、ゴウルド帯パルサーの空間的および放射度分布をシミュレートし、未検出の電波非放射性ガンマ線パルサーの数を制約する。
• 年齢とパルサー放射度に伴うビーム幾何学の進化を評価し、時間経過に伴う検出可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的時定数と星の年齢に不一致が生じる中で、ゴウルド帯の形成を引き起こした要因とその拡張の原因は何か？
• RQ2 なぜゴウルド帯における超新星発生率が、地域的銀河平均の3–4倍も高いのか。これは宇宙線生成にどのような影響を及えるか？
• RQ3 ゴウルド帯周辺に存在する未解明の高エネルギーガンマ線源集団は、ゴウルド帯で生まれた電波非放射性または電波放射性パルサーによって説明可能か？
• RQ4 スロットギャップモデルとアウターギャップモデルの両方が、ゴウルド帯パルサーの検出可能性をどのように予測するか。どちらのモデルが観測データにより適しているか？
• RQ5 ゴウルド帯周辺の未解明EGRET源のうち、何パーセントがゴウルド帯由来のパルサーである可能性が高く、これはパルサー進化およびビーム幾何学にどのような制約を課えるか？

主な発見

• 現在のゴウルド帯の幾何学的形状（長半径354±5 pc、短半径232±5 pc）は、HIおよびH2雲の分布とよく一致しており、銀河平面からの傾きは17.2°±0.3°である。
• 20–30 Myrの動的時定数は、観測された星の年齢（30–60 Myr）と整合しない。これは複雑または遅延した誘発機構を示唆する。
• 過去数百万年間におけるゴウルド帯の超新星発生率は、地域的銀河平均の3–4倍高く、これはパルサー密度の上昇および宇宙線生成の増加を示唆する。
• パopulation合成モデルでは、EGRETが検出すべきゴウルド帯由来の電波放射性ガンマ線パルサーが4–5個、電波非放射性が5–15個存在すると予測され、観測された2–3個の検出と整合的である。
• スロットギャップおよびアウターギャップ両モデルとも、2 Myrまでの年齢のゴウルド帯パルサーの検出を予測するが、アウターギャップモデルではビームが広いため、より多くの源が予測され、これは現在の観測と矛盾する。
• 若年パルサーの空間的分布とゴウルド帯との相関がないこと、およびゲミンガの微弱さから、ビーム幾何学および放射モデルが見直される必要があることが示唆され、検出不能な電波非放射性パルサーの欠如を説明するためである。