[논문 리뷰] The structure and composition of multiphase galactic winds in a Large Magellanic Cloud mass simulated galaxy

Ulrich P. Steinwandel, Chang‐Goo Kim외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 07.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 비균형 냉각, 광전자 가열, 그리고 MFM 유체역학 방법을 통한 초신성 피드백를 고려한, LMC 질량의 은하($\sim 10^{11}$ M$_\odot$)에 대한 최초의 고해상도 다상태 은하적 풍속 시뮬레이션을 제시한다. 질량 적재율 $\eta_{\mathrm{M}} \sim 1.0$과 에너지 적재율 $\eta_{\mathrm{E}} \sim 0.01$을 발견하였으며, 따뜻한($T < 5\times10^5$ K) 및 뜨거운($T > 5\times10^5$ K) 상이한 풍속 구조가 지배적이며, 평균 풍속 개구각은 30도로 관측된 스케일링 관계와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 고립형 LMC 질량 은하($\sim 10^{11}$ M$_\odot$)에서 은하 풍속 역학을 시뮬레이션한다. 이는 은하간성물질(ISM)을 해상도 있게 해결한다.
• 초신성과 비균형 냉각/가열 과정에 의해 유도된 다상태 풍속의 구조와 구성 요소를 조사한다.
• 질량 및 에너지 적재율을 정량화하고, 별 형성률 표면 밀도($\Sigma_{\rm SFR}$)에 대한 의존성을 분석한다.
• 모의된 풍속 특성과 관측된 스케일링 관계 및 이전의 시뮬레이션을 비교한다.
• 피드백 메커니즘이 풍속 형태와 다상태 구조를 어떻게 형성하는지 평가한다.

제안 방법

• 헤일로 질량 $\sim 10^{11}$ M$_\odot$와 가스 질량 $\sim 6\times10^8$ M$_\odot$를 갖는 고립 은하를 시뮬레이션하며, 약 $10^8$개의 가스 요소를 약 4 M$_\odot$ 질량 해상도로 해결한다.
• 복잡한 ISM 피드백을 정확히 모델링하기 위해 이차 순서의 무망원 유한질량(MFM) 방법을 유체역학에 사용한다.
• 비균형 냉각, 광전자 가열, 광이온화 복사, 초신성(SNe)을 포함한 해상도 있는 별 피드백을 통합한다.
• 풍속 주입 사이클 전체에 걸쳐 시간 평균 분석을 수행하여 통계적 풍속 특성을 평가한다.
• 다양한 고도와 반경 영역에서 질량 및 에너지 적재율($\eta_{\mathrm{M}}$, $\eta_{\mathrm{E}}$)을 계산한다.
• 다양한 풍속 상과 고도에서 유속과 음속의 공동 확률밀도함수(PDF)를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해상도 있는 ISM를 갖는 LMC 질량 은하에서의 은하 풍속의 질량 및 에너지 적재율은 무엇인가?
• RQ2 풍속의 따뜻한 상과 뜨거운 상은 질량 및 에너지 운반에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 풍속의 공간적 구조와 개구각은 어떻게 되며, 디스크 위 고도에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 풍속 적재율은 별 형성률 표면 밀도($\Sigma_{\rm SFR}$)에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ5 모의된 풍속 특성은 관측된 스케일링 관계와 이전의 시뮬레이션과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 모의된 은하는 평균 별 형성률이 $\sim 0.05$ M$_\odot$ yr$^{-1}$이며, 약 150 Myr 주기로 되어 있어 관측된 난쟁이 은하의 범주와 일치한다.
• 1 kpc 고도에서 질량 적재율은 $\eta_{\mathrm{M}} \sim 1.0$이며, 10 kpc에서 $\sim 0.1$로 감소하여 고도가 높아질수록 뜨거운 풍속 지배로의 전환을 나타낸다.
• 1 kpc에서 에너지 적재율은 $\eta_{\mathrm{E}} \sim 0.01$이며, 10 kpc에서 약간 감소하여 $9\times10^{-3}$로 유지되어 지속적인 에너지 주입을 확인한다.
• 풍속은 따뜻한($T < 5\times10^5$ K) 및 뜨거운($T > 5\times10^5$ K) 상에서 질량 및 에너지 운반에 근사적으로 동일한 기여를 보이며, 이중상 풍속 구조를 보인다.
• 평균 풍속 개구각은 $\sim 30^\circ$이며, 약 3 kpc 고도에서 최대에 도달한다. 기하학적 흐름선은 궤도운동 풍속과 유사하다.
• 따뜻한 풍속의 질량 적재율은 $\Sigma_{\rm SFR}$에 따라 감소하며 기울기 $\sim -0.5$를 보이고, 뜨거운 풍속의 질량 적재율은 약간의 양의 경향($\sim +0.01$)을 보이며, 500 pc 고도에서 에너지 적재율은 따뜻한 상에 대해 기울기 $-0.14$, 뜨거운 상에 대해 $+0.13$의 반대 경향을 보인다.