[논문 리뷰] Galactic Superwinds at Low and High Redshift

Timothy M. Heckman|arXiv (Cornell University)|2000. 09. 05.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 초신성와 항성 바람에 의해 구동되는 은하 초풍이 은하에서 질량과 에너지를 효율적으로 제거하며, 별 형성률과 유사한 유동 속도와 30–100%의 운동 에너지 변환 효율을 보인다. 이러한 초풍은 타원은하의 질량-중금속성 관계를 이끌며, 은하간 매질을 평균 비열량당 약 1 keV로 가열하고, 우주론적 모델에 영향을 줄 수 있는 정도의 먼지가 제거될 수 있다.

ABSTRACT

In this contribution I summarize our current knowledge of the nature and significance of starburst-driven galactic superwinds. These flows are driven primarily by the kinetic energy supplied by supernovae. Superwinds are complex, multiphase phenomena requiring a panchromatic observational approach. They are ubiquitous in galaxies in which the global star-formation rate per unit area exceeds roughly 10$^{-1}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ kpc$^{-2}$ (a condition satisfied by local starbursts and high-z Lyman Break galaxies). Data on X-ray emission, optical line-emission, and optical/UV interstellar absorption-lines together imply that the mass outflow rates are comparable to the star-formation-rates and that the conversion of kinetic energy from supernovae to superwind is quite efficient ($\sim$ 30 to 100%). Measured/inferred outflow speeds range from a few $ imes 10^2$ to 10$^3$ km/s and appear to be independent of the rotation speed of the ``host'' galaxy. The outflows are dusty (dust/gas ratios of $\sim$ 1% by mass). These properties imply that superwinds may have established the mass-metallicity relation in elliptical and bulges, polluted the inter-galactic medium to a metallicity of $\sim$ 10 to 30% solar, heated the inter-galactic medium by up to $\sim$1 kev per baryon, and ejected enough dust into the inter-galactic medium to have potentially observable consequences.

연구 동기 및 목표

• 우주의 시간에 따라 초성폭발에 의해 구동되는 초풍의 물리적, 역학적, 화학적 성질을 이해하기 위해.
• 초신성에서 유동으로의 운동 에너지 변환 효율을 규명하기 위해.
• 초풍이 타원은하와 별집의 질량-중금속성 관계를 형성하는 데 차지하는 역할을 평가하기 위해.
• 초풍이 은하간 매질(IGM)의 가열 및 중금속 농도 증가에 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• 초풍에 의해 은하간 매질로 제거된 먼지가 관측에 미치는 잠재적 영향을 추정하기 위해.

제안 방법

• 초신성과 항성 바람에 의한 에너지 및 운동량의 첨가를 고려하여 초풍의 역학적 진화를 모델링하며, 초풍 최종 속도 및 기포 팽창 속도에 대한 핵심 방정식을 포함한다.
• Lynden-Bell(1992) 모델을 적용하여 은하의 잠재력 우물 깊이에 따라 중금속 보존 정도를 추정하며, v_esc < v_wind 조건에서 바람 탈출을 가정한다.
• 전파대 스펙트럼 관측—X선, 광학/자외 방출 및 흡수선, 라디오 싱크로트론 방출—을 이용하여 질량 적재율, 속도, 중금속 농도 등의 유동 성질을 추론한다.
• 표준 Salpeter 초기 질량 함수(IMF)로부터 얻을 수 있는 총 운동 에너지를 추정하여, 은하간 매질의 가열 잠재력을 평가하며, 100% 효율을 가정한다.
• 관측된 유동 내 먼지-가스 비율을 은하간 먼지 밀도의 상한선과 비교하여 먼지 생존 및 제거 효율을 평가한다.
• 이론적 예측된 은하간 매질의 가열 및 중금속 농도를 은하단의 관측된 X선 및 빛의 세기-온도 관계와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성에서 은하 초풍으로의 운동 에너지 변환 효율은 얼마인가?
• RQ2 초풍의 유동 속도와 질량 적재율은 은하의 회전 속도나 별 형성률 표면 밀도와 같은 성질에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 초풍이 타원은하에서 관측된 질량-중금속성 관계를 어느 정도 설명할 수 있는가?
• RQ4 초풍이 관측된 바와 같이 은하간 매질을 비열량당 약 1 keV로 가열할 수 있는가?
• RQ5 초풍이 관측된 은하간 매질 내 먼지 농도에 기여할 잠재적 기여는 얼마인가?

주요 결과

• 초풍의 유동 속도는 별 형성률과 유사하여, 초성폭발 은하에서 질량이 효율적으로 제거됨을 시사한다.
• 초신성에서 초풍으로의 운동 에너지 변환 효율은 30–100%이며, 주변 은하의 회전 속도와 무관하게 최종 속도가 300–800 km/s로 유지된다.
• 관측된 유동 속도는 저질량 은하가 바람에 의해 중금속을 탈출하는 모델과 일치하며, 이는 타원은하에서 관측된 질량-중금속성 관계를 재현한다.
• 표준 Salpeter IMF를 가진 초신성에서 발생하는 운동 에너지는 은하간 매질을 비열량당 약 1 keV로 가열할 수 있으며, 은하단에서 관측된 가열 수준과 일치한다.
• 초풍은 은하간 매질로 충분한 먼지를 제거하여 전반적인 먼지 밀도 Ω_dust ~ 10^-4를 만들 수 있으며, 이는 우주론적 모델에 영향을 줄 수 있다.
• X선, 광학 및 자외선 관측은 질량 적재율 l ≥ 1이고 먼지-가스 질량 비율이 약 1%인 먼지가 포함된 다상태 유동의 존재를 확인한다.