[論文レビュー] TuRMoiL of Survival: A Unified Survival Criterion for Cloud-Wind Interactions

Matthew W. Abruzzo, Drummond B. Fielding+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2023

Solar and Space Plasma Dynamics被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高温の乱流的風中の雲の生存を統一的に評価するための新しい基準を提案する。この基準は、雲を通過する高温風の流体要素のせん断時間スケールと、混合ガスの最大冷却時間スケールを比較することに基づく。この基準は、物理的に整合性のある時間スケールを用いることで、従来のモデルに長年存在していた矛盾を解消し、風と雲の密度比が高いハイドロダイナミクス的シミュレーションにおいても、雲の生存を正確に予測できる。

ABSTRACT

Cloud-wind interactions play an important role in long-lived multiphase flows in many astrophysical contexts. When this interaction is primarily mediated by hydrodynamics and radiative cooling, the survival of clouds can be phrased in terms of the comparison between a timescale that dictates the evolution of the cloud-wind interaction, (the dynamical time-scale $τ_{ m dyn}$) and the relevant cooling timescale $τ_{ m cool}$. Previously proposed survival criteria, which can disagree by large factors about the size of the smallest surviving clouds, differ in both their choice of $τ_{ m cool}$ and (to a lesser extent) $τ_{ m dyn}$. Here we present a new criterion which agrees with a previously proposed empirical formulae but is based on simple physical principles. The key insight is that clouds can grow if they are able to mix and cool gas from the hot wind faster than it advects by the cloud. Whereas prior criteria associate $τ_{ m dyn}$ with the cloud crushing timescale, our new criterion links it to the characteristic cloud-crossing timescale of a hot-phase fluid element, making it more physically consistent with shear-layer studies. We develop this insight into a predictive expression and validate it with hydrodynamic ENZO-E simulations of ${\sim}10^4\, { m K}$, pressure-confined clouds in hot supersonic winds, exploring, in particular, high wind/cloud density contrasts, where disagreements are most pronounced. Finally, we illustrate how discrepancies among previous criteria primarily emerged due to different choices of simulation conditions and cooling properties, and discuss how they can be reconciled.

研究の動機と目的

• 圧力で閉じ込められた雲が高温の超音速風中で生存する基準について、長年の議論を解消すること。
• 雲-風相互作用における物理的に正しい動的時間スケールを特定し、従来の雲破壊時間スケールの代わりに、高温相の流体要素の雲通過時間スケールを採用すること。
• 乱流放射混合層（TRML）の混合と段階依存冷却に物理的に整合する冷却時間スケールを定義すること。
• 高密度比の条件下で、enzo-eハイドロダイナミクス的シミュレーションと照合して新しい基準を検証すること。
• 従来の基準に見られる不一致を、シミュレーション条件や冷却規定の違いに起因するものとして特定し、それらを統合すること。

提案手法

• 高温風の流体要素が雲を通過する時間（せん断時間スケール $ t_{\rm shear} $）と、混合ガスの最大冷却時間スケール $ t_{\rm cool,max} $ を比較することで、新しい生存基準を提案する。
• $ t_{\rm cool,max} $ を、雲の温度 $ T_{\rm cl} $ と混合層で達する最小冷却温度 $ T_{\rm min,cool} $ の間の冷却時間スケールの最大値として定義する。
• 従来の研究で用いられた雲破壊時間スケールの代わりに、せん断層の力学に基づいて物理的に妥当な $ \tau_{\rm dyn} $ を用いる。
• 高解像度の enzo-e シミュレーションを用いて、$ \sim 10^4 \, \text{K} $ の温度を持つ圧力で閉じ込められた雲が高温の超音速風中を通過する状況を検証する。密度比 $ \chi \sim 10^4 $。
• 混合層内の現実的な冷却をモデル化するため、段階依存の冷却関数を用い、$ T_{\rm min,cool} = \max(T_{\rm cl}, \, 10^{4.25} \, \text{K}) $ を下限として設定する。
• 新しい基準を、従来の経験的・理論的生存基準と比較し、観測されたシミュレーション結果と整合し、矛盾を解消することを示す。

Figure 1: Illustrates the difference in the shape of $t_{\rm cool}(e)$ when cooling is turned off below $e_{\rm cl}$ , for use in our runs with $T_{\rm cl}\approx 5\times 10^{3}\,{\rm K}$ and $T_{\rm cl}\approx 4\times 10^{4}\,{\rm K}$ . The inset shows $t_{\rm cool}(T)$ as a function of $T$ , befor

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流放射混合層における雲-風相互作用の物理的に正しい動的時間スケールは何か？
• RQ2 複相流において雲の生存を正確に予測するには、冷却時間スケールをどのように定義すべきか？
• RQ3 なぜ従来の生存基準は、最小生存雲サイズの予測において顕著に異なるのか？
• RQ4 1つの物理的に妥当な基準が、経験的にキャリブレーションされた生存基準の精度を再現できるか？
• RQ5 シミュレーション設定や冷却規定の違いが、既存の生存基準間の不一致を生じさせる理由は何か？

主な発見

• 新しい基準（$ t_{\rm shear} \gtrsim t_{\rm cool,max} $）は、密度比が高い enzo-e シミュレーション（$ \chi \sim 10^4 $）において、雲の生存を正確に予測できる。
• この基準は、従来の研究の不一致が、$ \tau_{\rm dyn} $ と $ \tau_{\rm cool} $ の不一致に起因することを示し、物理的本質の違いとは無関係であることを解明した。
• 高温相の流体要素が雲を通過する時間として導出されたせん断時間スケール $ t_{\rm shear} $ は、雲破壊時間スケールよりも、せん断層の研究と物理的に整合性が良い。
• 雲の温度 $ T_{\rm cl} $ と最小冷却温度 $ T_{\rm min,cool} $ の間で評価される最大冷却時間スケール $ t_{\rm cool,max} $ は、物理的に根拠があり、安定した冷却時間スケールを提供する。
• 極端な状態（$ T_{\rm cl} \gtrsim 10^4 \, \text{K} $）でも、この基準は良好に機能し、従来の基準が失敗するか、物理的に不自然な雲サイズを必要とする領域でも有効である。
• Farber & Gronke (2022) の冷たい雲（$ \sim 10^3 \, \text{K} $）に関する結果とも整合するため、星形成噴流における冷たい相への広範な適用可能性が示唆される。

Figure 2: A graphical depiction of our proposed new criterion; as discussed in the text, a hot fluid element starts to mix into the cloud, and then must cool before it is advected past the cloud (in a few shear times) in order to be added to the cloud.