[論文レビュー] The structure and composition of multiphase galactic winds in a Large Magellanic Cloud mass simulated galaxy

Ulrich P. Steinwandel, Chang‐Goo Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、非平衡冷却、光電離加熱、およびMFM流体力学法による超新星駆動のフィードバックを組み込んだ、LMC質量の銀河（$\sim 10^{11}$ M$_\odot$）の最初の高解像度で多相の銀河風シミュレーションを実施した。質量ローディング要因 $\eta_{\mathrm{M}} \sim 1.0$ およびエネルギー・ローディング要因 $\eta_{\mathrm{E}} \sim 0.01$ を得ており、風構造は温風（$T < 5\times10^5$ K）と高温風（$T > 5\times10^5$ K）の二重ピーク構造を示し、平均風の開口角は30度であり、観測されたスケーリング関係と整合的である。

ABSTRACT

We present the first results from a high resolution simulation with a focus on galactic wind driving for an isolated galaxy with a halo mass of $\sim 10^{11}$ M$_{\odot}$ (similar to the Large Magellanic Cloud) and a total gas mass of $\sim 6 imes 10^{8}$ M$_{\odot}$, resulting in $\sim 10^{8}$ gas cells at $\sim 4$ M$_{\odot}$ mass resolution. We adopt a resolved stellar feedback model with non-equilibrium cooling and heating, including photoelectric heating and photo-ionizing radiation, as well as supernovae (SNe), coupled to the second order meshless finite mass (MFM) method for hydrodynamics. These features make this the largest resolved-ISM galaxy model run to date. We find mean star formation rates around $0.05$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ and evaluate typical time averaged loading factors for mass ($η_\mathrm{M}$ $\sim$ 1.0, in good agreement with recent observations) and energy ($η_\mathrm{E}$ $\sim$ 0.01). The bulk of the mass of the wind is transported by the warm ($T &lt; 5 imes 10^5$K) phase, while there is a similar amount of energy transported in the warm and the hot phases ($T &gt; 5 imes 10^5$K). We find an average opening angle of 30 degrees for the wind, decreasing with higher altitude above the midplane. The wind mass loading is decreasing (flat) for the warm (hot) phase as a function of the star formation surface rate density $Σ_{ m SFR}$, while the energy loading shows inverted trends with $Σ_{ m SFR}$, decreasing for the warm wind and increasing for the hot wind, although with very shallow slopes. These scalings are in good agreement with previous simulations of resolved wind driving in the multi-phase ISM.

研究の動機と目的

• 高解像度で孤立したLMC質量銀河（$\\sim 10^{11}$ M$_\\mathrm{\odot}$）におけるISMを解像する銀河風ダイナミクスのシミュレーション。
• 超新星および非平衡冷却／加熱プロセスによって駆動される多相風の構造と組成の調査。
• 星形成率面密度（$\Sigma_{\rm SFR}$）に依存する質量およびエネルギー・ローディング要因の定量的評価。
• 観測のスケーリング関係および先行シミュレーションと比較した風の性質の検証。
• フィードバック機構が風の形状および多相構造に果たす役割の評価。

提案手法

• ハロー質量 $\\sim 10^{11}$ M$_\odot$ およびガス質量 $\\sim 6\times10^8$ M$_\odot$ の孤立銀河をシミュレートし、$\\sim 4$ M$_\odot$ の質量分解能で $\\sim 10^8$ 個のガスセルを解像。
• 複雑なISMフィードバックを正確にモデル化するため、2次精度のメッシュレス有限質量（MFM）法を流体力学に用いる。
• 非平衡冷却、光電離加熱、光イオン化放射、および超新星（SNe）を含む、解像された星形成フィードバックを統合。
• 風駆動サイクル全体にわたる時間平均解析を用いて、統計的風特性を評価。
• 異なる高度および半径領域における質量およびエネルギー・ローディング要因（$\eta_{\mathrm{M}}$、$\eta_{\mathrm{E}}$）を計算。
• 異なる風相および高さにおける流出速度と音速の同時確率密度関数（PDF）を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ISMを解像したLMC質量銀河における銀河風の質量およびエネルギー・ローディング要因は何か？
• RQ2 温風および高温風の両相が質量およびエネルギー輸送にどのように寄与するか？
• RQ3 風の空間的構造および開口角は何か？また、ディスク上面からの高さに応じてどのように変化するか？
• RQ4 星形成率面密度（$\Sigma_{\rm SFR}$）に伴って風のローディング要因はどのようにスケーリングするか？
• RQ5 シミュレートされた風の性質は、観測のスケーリング関係および先行シミュレーションとどのように一致するか？

主な発見

• シミュレートされた銀河は、平均星形成率が $\\sim 0.05$ M$_\odot$ yr$^{-1}$、$\\sim 150$ Myrの周期を示し、観測された矮星銀河の範囲と整合的である。
• 1 kpcの高さでは質量ローディング要因が $\eta_{\mathrm{M}} \sim 1.0$ であり、10 kpcでは $\\sim 0.1$ に減少しており、高高度で高温風が優勢になる傾向を示している。
• エネルギー・ローディング要因は1 kpcで $\eta_{\mathrm{E}} \sim 0.01$、10 kpcでわずかに $9\times10^{-3}$ に減少し、持続的なエネルギー注入を確認している。
• 風は温風（$T < 5\times10^5$ K）と高温風（$T > 5\times10^5$ K）の両相にほぼ同等の質量およびエネルギー輸送を示す二重ピーク構造を示している。
• 平均風の開口角は $\\sim 30^\circ$ であり、3 kpc高さでピークに達しており、放物運動風に類似したストリームライン構造を示している。
• 温風の質量ローディングは $\Sigma_{\rm SFR}$ に反比例（傾き $\\sim -0.5$）し、高温風の質量ローディングは弱い正の傾向（$\\sim +0.01$）を示す。エネルギー・ローディングは、500 pcの高さで温風が $-0.14$、高温風が $+0.13$ の逆転傾向を示している。