[논문 리뷰] Galactic Superwinds Circa 2001

Timothy M. Heckman|arXiv (Cornell University)|2001. 07. 23.

Solar and Space Plasma Dynamics인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 항성 폭발 활동에 의해 유도되는 은하 초풍을 검토하며, 이들이 질량과 에너지 유출율이 항성 형성과 기계적 에너지 입력과 유사한 다상태 기체, 먼지, 상대론적 플라즈마의 유출을 일으킨다고 보여준다. 주요 결과로는 유속이 최대 3000 km/s에 이르며, 복사 손실이 최소이며, 초풍이 은하간 매질을 약 10–30% 태양 금속성으로 오염시키고 에너지를 공급함으로써 질량-금속성 관계를 형성했을 가능성이 있다.

ABSTRACT

In this contribution I summarize our current knowledge of the nature and significance of starburst-driven galactic winds (``superwinds''). Superwinds are complex multiphase outflows of cool, warm, and hot gas, dust, and magnetized relativistic plasma. The observational manifestations of superwinds result from the hydrodynamical interaction between the primary energy-carrying wind fluid and the ambient interstellar medium. Superwinds are ubiquitous in galaxies in which the global star-formation rate per unit area exceeds roughly 10$^{-1}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ kpc$^{-2}$. This criterion is met by local starbursts and the high-z Lyman Break galaxies. Several independent datasets and techniques imply that the total mass and energy outflow rates in a superwind are comparable to the starburst's star-formation-rate and mechanical energy injection rate, respectively. Outflow speeds in interstellar matter entrained in the wind range from $\sim 10^2$ to $10^3$ km/s, but the primary wind fluid itself may reach velocities as high as $\sim$3000 km s$^{-1}$. The available X-ray and far-UV ($FUSE$) data imply that radiative losses in superwinds are not significant. Superwinds may have established the mass-metallicity relation in ellipticals and bulges, polluted the present-day inter-galactic medium to a metallicity of $\sim$ 10 to 30% solar, heated the inter-galactic medium, and ejected enough dust into the inter-galactic medium to have potentially observable consequences.

연구 동기 및 목표

• 항성 폭발에 의해 유도되는 은하 초풍의 역학적 진화와 관측적 특징을 이해하기 위해.
• 질량 및 에너지 유출율을 정량화하고 항성 형성 및 기계적 에너지 입력율과 비교하기 위해.
• 초풍이 은하의 질량-금속성 관계 형성에 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 초풍이 은하간 매질에 미치는 영향, 특히 금속 오염 및 가열 효과를 평가하기 위해.
• 먼지가 은하간 매질로 추출될 가능성과 그 천문학적 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 초풍의 유체역학적 진화를 등온 풍이 빈약한 기포 이론과 초신성 및 항성 바람의 에너지 투입율을 사용하여 모델링하기 위해.
• 기포 확장 속도 공식 적용: $ v_{Bubble} \sim 100 \dot{E}_{42}^{1/5} n_0^{-1/5} t_7^{-2/5} $ km/s를 사용해 충격파 전진 속도 추정하기.
• 바람의 최종 속도 공식 사용: $ v_{wind} \sim 3000 \mathcal{L}^{-1/2} $ km/s를 사용해 주요 바람 유체 속도 추정하기.
• 주변 구름의 관성 압력 가속도 분석: $ v_{cloud} \sim 600 \dot{p}_{34}^{1/2} \Omega_w^{-1/2} r_{0,kpc}^{-1/2} N_{cloud,21}^{-1/2} $ km/s.
• X선 및 FUSE 데이터를 사용해 초풍에서 복사 손실이 미미함을 추론하기.
• 관측된 유출율을 항성 형성율 및 에너지 투입율과 비교해 효율성과 피드백 영향 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성 폭발에 의해 유도되는 초풍의 역학적 진화는 어떻게 진행되며, 초기 기포에서 이중성 유도로의 전이 과정은 어떠한가?
• RQ2 초풍에서 관측되는 방출 및 흡수 특징은 바람과 주변 간성간 가스 간의 유체역학적 상호작용으로 어떻게 발생하는가?
• RQ3 초풍의 질량 및 에너지 유출율은 무엇이며, 항성 형성 및 기계적 에너지 투입율과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 초풍이 은하간 매질의 금속 오염 및 가열에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 초풍이 은하의 구형부 및 은하간 매질의 금속성 관계를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 항성 형성율이 약 ~10^{-1} M⊙ yr^{-1} kpc^{-2}를 초과하는 은하에서는 초풍이 일반적으로 관측되며, 이는 국지적 항성 폭발 은하와 고적도 라이만 브레이크 은하를 포함한다.
• 초풍의 질량 및 에너지 유출율은 각각 항성 형성율 및 기계적 에너지 투입율과 유사하여 높은 효율성을 나타낸다.
• 함유된 간성간 가스에서의 유속은 약 10^2에서 10^3 km/s 범위이며, 주요 바람 유체는 최대 약 3000 km/s의 속도에 도달한다.
• X선 및 FUSE 데이터는 초풍에서 복사 손실이 미미함을 시사하며, 이는 등온 팽창 모델을 지지한다.
• 초풍은 타원은하와 복합체의 질량-금속성 관계를 형성했을 가능성이 있으며, 은하간 매질을 약 10–30% 태양 금속성으로 오염시켰을 것이다.
• 초풍은 은하간 매질을 가열했을 수 있으며, 우주적으로 감지 가능한 효과를 일으킬 수 있는 정도의 먼지를 충분히 배출했을 가능성이 있으며, 전역 은하간 먼지 밀도에 대한 상한선은 Ω_dust ~ 10^{-4}이다.