[논문 리뷰] The Distribution of Pressures in a Supernova-Driven Interstellar Medium

Mordecai‐Mark Mac Low, Dinshaw S. Balsara외 2명|arXiv (Cornell University)|2001. 06. 27.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 3차원 유체역학 및 자기유체역학 시뮬레이션을 통해 초신성에 의해 구동되는 간성간 매질에서 압력 분포를 조사하며, 열적 평형이 아닌 난류에 의해 유도되는 넓은 로그노멀 압력 분포를 규명한다. 주요 발견은 대부분의 기체가 열적 평형에서 벗어나 있으며, 압력이 충격파와 희석파에 의해 동적으로 결정된다는 점으로, 다상태 간성간매질 모델에서의 등압상태 가정을 도전하며, 분자구름이 중력 봉쇄가 아닌 일시적인 고압 난류 영역에서 형성된다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Observations have suggested substantial departures from pressure equilibrium in the interstellar medium (ISM) in the plane of the Galaxy, even on scales under 50 pc. Nevertheless, multi-phase models of the ISM assume at least locally isobaric gas. The pressure then determines the density reached by gas cooling to stable thermal equilibrium. We use two different sets of numerical models of the ISM to examine the consequences of supernova driving for interstellar pressures. The first set of models is hydrodynamical, and uses adaptive mesh refinement to allow computation of a 1 x 1 x 20 kpc section of a stratified galactic disk. The second set of models is magnetohydrodynamical, using an independent code framework, and examines a 200 pc cubed periodic domain threaded by magnetic fields. Both of these models show broad pressure distributions with roughly log-normal functional forms produced by both shocks and rarefaction waves, rather than the power-law distributions predicted by previous work, with rather sharp thermal pressure gradients. The width of the distribution of the logs of pressure in gas with log T < 3.9 is proportional to the rms Mach number in that gas, while the distribution in hotter gas is broader, but not so broad as would be predicted by the Mach numbers in that gas. Individual parcels of gas reach widely varying points on the thermal equilibrium curve: no unique set of phases is found, but rather a dynamically-determined continuum of densities and temperatures. Furthermore, a substantial fraction of the gas remains entirely out of thermal equilibrium. Our results appear consistent with observations of interstellar pressures, and suggest that the pressures observed in molecular clouds may be due to ram pressure rather than gravitational confinement.

연구 동기 및 목표

• 표준 다상태 모델에서 가정하는 바와 같이 간성간매질(ISM)이 局부 압력 평형을 유지하는지 조사하기 위해.
• 특히 난류와 자기장이 존재하는 조건에서 초신성에 의해 구동되는 간성간매질 내 압력의 기원과 분포를 규명하기 위해.
• 역학적 조건에서 간성간매질의 구조를 예측하는 데 있어 열적 평형 상태도표의 타당성을 평가하기 위해.
• 관측된 간성간매질 압력 변화가 중력 봉쇄가 아닌 역학적 과정으로 설명될 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 초신성 구동을 고려한 1×1×20 kpc 수직 단면을 모의하기 위해 적응 메쉬 분해(AMR)를 사용한 수치 시뮬레이션.
• 강한 자기장과 분포된 가열을 고려한 (200 pc)³ 주기적 도메인에서 자기유체역학(MHD) 시뮬레이션.
• 로그 T < 3.9 이하의 기체와 더운 성분에 대해 압력 확률분포함수(PDFs) 분석.
• Passot & Vázquez-Semadeni(1998)의 다항적 압축 난류 이론을 활용해 로그노멀 압력 PDFs를 해석.
• 우주선 및 STIS 흡수선 측정 자료로부터의 관측 데이터와 시뮬레이션 압력 분포 비교.
• 개별 기체 입자를 난류 흐름 속에서 추적함으로써 열적 평형 대비 역학적 압력 제어 여부 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간성간매질이 열적 평형이 아닌 초신성에 의해 구동되는 난류로 인해 넓은 압력 분포를 보이는가?
• RQ2 충격파와 희석파는 간성간매질의 압력 분포에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 다양한 온도 영역에서 압력 PDF의 너비는 마흐 수와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 압력이 동적으로 제어될 경우 열적 평형 상태도표가 간성간매질의 구조를 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ5 분자구름에서 관측된 고압은 중력 봉쇄 때문인가, 아니면 난류 흐름의 충격압 때문인가?

주요 결과

• 간성간매질의 압력 분포는 파wr-법칙이 아닌 넓은 로그노멀 분포를 보이며, 냉각 기체(log T < 3.9)의 경우 로그압력 분포의 너비는 루트평균제곱 마흐 수에 비례한다.
• 더운 기체는 그 마흐 수에 의해 예측되는 것보다 넓은 압력 분포를 보이며, 단순한 난류 스케일링을 초월한 추가적인 역학적 제어가 있음을 시사한다.
• 기체의 상당 부분이 열적 평형에서 벗어나 있으며, 밀도와 온도가 열적 평형 곡선에서 크게 떨어져 있다.
• 유일한 단일 상이 존재하지 않으며, 대신 밀도와 온도의 역학적 결정된 연속체가 관측된다.
• 등압 영역은 젊은 초신성 잔해의 내부뿐이며, 이는 난류 매질 내에서 유일한 난류가 없는 영역이기도 하다.
• 자기중력 없이도 고압 난류 영역에서 일시적으로 분자구름 유사 밀도와 압력(일반 간성간매질 압력보다 약 10배 이상 높음)이 형성되며, 이는 성간구름의 형성 기원이 난류에 기인함을 지지한다.