[論文レビュー] The signature of large scale turbulence driving on the structure of the interstellar medium

Tine Colman, Jean‐François Robitaille+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 84被引用数 24

ひとこと要約

本研究では、大規模な銀河的乱流駆動が星形成領域の銀河間物質（ISM）の構造に与える影響を、1 kpc領域の星形成ディスクを、外部からの乱流駆動のレベルを変えてシミュレーションすることで調査する。Multi-scale non-Gaussian segmentation（MnGseg）を用いた分析により、星形成による駆動のみの場合、ISM内の連続的構造は約60 pcでパワースペクトルの転換点を示すが、大規模駆動が含まれる場合、この転換点はより大きなスケール（約120 pc）にシフトすることが分かった。大マゼラン雲（LMC）のHerschel 500 μm観測データの分析では、25の領域のうちたった1つの領域しか、駆動要因が星形成によるものだけのシミュレーションと一致せず、60 pcを超えるスケールでのISM構造を説明するには、広範な大規模駆動が必要であることが示唆された。

ABSTRACT

The mechanisms that maintain turbulence in the interstellar medium (ISM) are still not identified. This work investigates how we can distinguish between two fundamental driving mechanisms: the accumulated effect of stellar feedback versus the energy injection from Galactic scales. We perform a series of numerical simulations describing a stratified star forming ISM subject to self-consistent stellar feedback. Large scale external turbulent driving of various intensities is added to mimic galactic driving mechanisms. We analyse the resulting column density maps with a technique called Multi-scale non-Gaussian segmentation that separates the coherent structures and the Gaussian background. This effectively discriminates between the various simulations and is a promising method to understand the ISM structure. In particular the power spectrum of the coherent structures flattens above 60 pc when turbulence is driven only by stellar feedback. When large-scale driving is applied, the turn-over shifts to larger scales. A systematic comparison with the Large Magellanic Cloud (LMC) is then performed. Only 1 out of 25 regions has a coherent power spectrum which is consistent with the feedback-only simulation. A detailed study of the turn-over scale leads us to conclude that regular stellar feedback is not enough to explain the observed ISM structure on scales larger than 60 pc. Extreme feedback in the form of supergiant shells likely plays an important role but cannot explain all the regions of the LMC. If we assume ISM structure is generated by turbulence, another large scale driving mechanism is needed to explain the entirety of the observations.

研究の動機と目的

• 大規模な銀河的乱流駆動が、銀河間物質（ISM）の構造に検出可能な痕跡を残すかどうかを特定すること。
• ISM内の乱流を維持する主要因としての星形成による駆動と大規模駆動の区別をすること。
• ISMの観測されたパワースペクトルの転換スケールが、主な駆動メカニズムを特定する診断指標として使えるかどうかを検証すること。
• 観測データを用いて、大マゼラン雲（LMC）におけるISM構造を説明する大規模駆動の役割を評価すること。

提案手法

• 星形成による自己一貫性のある星形成駆動と、変化する大規模外部乱流駆動のレベルを伴う、銀河ディスクの1 kpc領域の数値シミュレーションを実施する。
• コラム密度マップにMulti-scale non-Gaussian segmentation（MnGseg）を適用し、ガウス的背景から連続的構造を分離する。
• ウェーブレットに基づくパワースペクトル解析を、分離された構造成分に適用し、異なるスケールでの構造の定量的評価を行う。
• シミュレーション結果と、LMCのHerschel 500 μm観測データを比較し、銀河を25の領域に分割して統計的比較を実施する。
• アルゴリズムのパラメーターや解釈手法を、シミュレーションデータを用いてテストし、観測応用の前に妥当性を確認する。
• 連続的パワースペクトルの局所的変化を分析することで、潜在的な駆動メカニズムを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模乱流駆動は、ISM構造のパワースペクトルに検出可能な痕跡を残すか？
• RQ2 連続的ISM構造のパワースペクトルにおける転換スケールが、星形成駆動のみと大規模駆動の両方のシナリオを区別できるか？
• RQ3 大マゼラン雲（LMC）の観測結果は、星形成駆動だけでは説明できない大規模駆動の存在をどの程度支持するか？
• RQ4 星形成駆動だけでは不十分な領域で、大規模駆動を引き起こす可能性のある物理的メカニズムは何か？

主な発見

• 乱流が星形成による駆動のみで駆動される場合、ISMの連続的構造のパワースペクトルは、約60 pcのスケールで平坦化し、典型的な超新星残骸のサイズと整合的である。
• 大規模外部駆動が含まれる場合、転換スケールは約120 pcにシフトし、より大きなスケールの連続的構造の形成を示している。
• LMCの25の領域のうち、たった1つの領域しか、駆動要因が星形成によるものだけのシミュレーションと一致せず、大半の銀河で大規模駆動が広く存在していることが示唆された。
• 30 Doradus周辺の領域は特に大きな転換スケールを示しており、これは極端な星形成駆動に起因するスーパー巨大シェルと関連している可能性があるが、すべての観測領域を説明するには不十分である。
• LMCに存在する星形成バーが大規模駆動に寄与している可能性があり、銀河の力学的要因がそのメカニズムである可能性を示唆している。
• 星形成駆動だけでは60 pcを超えるスケールでのISM構造を説明するには不十分であり、観測の全範囲を説明するには追加の大きなスケール駆動メカニズムが必要であると示唆された。