[논문 리뷰] Age, size, and position of H ii regions in the Galaxy. Expansion of ionized gas in turbulent molecular clouds

Pascal Tremblin, L. D. Anderson외 9명|The Research Repository @ WVU (West Virginia University)|2014. 06. 06.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 30인용 수 37

한 줄 요약

이 논문은 은하 내 H II 영역의 동적 연령을 추정하기 위한 새로운 방법을 제안한다. 이는 난류 분자운에서의 팽창을 모델링하여, 분석적 해법과 3차원 난류 효과를 보정한 1차원 시뮬레이션 격자를 사용한다. 주요 결과는 이온화 기체 압력이 난류 운동 압력과 준평형 상태에 도달하며, 이는 압력-크기 그림에서 동등선 곡선을 통해 젊은 OB 연합의 정확한 연령 추정을 가능하게 한다. 이는 Rosette와 M16와 같은 잘 알려진 영역에서 관측 데이터를 바탕으로 검증되었으며, 문헌 연령과 양호한 일치를 보였다.

ABSTRACT

This work aims at improving the current understanding of the interaction between H ii regions and turbulent molecular clouds. We propose a new method to determine the age of a large sample of OB associations by investigating the development of their associated H ii regions in the surrounding turbulent medium. Using analytical solutions, one-dimensional (1D), and three-dimensional (3D) simulations, we constrained the expansion of the ionized bubble depending on the turbulent level of the parent molecular cloud. A grid of 1D simulations was then computed in order to build isochrone curves for H ii regions in a pressure-size diagram. This grid of models allowed to date large sample of OB associations and was used on the H ii Region Discovery Survey (HRDS). Analytical solutions and numerical simulations showed that the expansion of H ii regions is slowed down by the turbulence up to the point where the pressure of the ionized gas is in a quasi-equilibrium with the turbulent ram pressure. Based on this result, we built a grid of 1D models of the expansion of H ii regions in a profile based on Larson laws. The 3D turbulence is taken into account by an effective 1D temperature profile. The ages estimated by the isochrones of this grid agree well with literature values of well-known regions such as Rosette, RCW 36, RCW 79, and M16. We thus propose that this method can be used to give ages of young OB associations through the Galaxy such as the HRDS survey and also in nearby extra-galactic sources.

연구 동기 및 목표

• 분자운 내 난류를 고려하여 젊은 OB 연합의 연령 추정을 향상시키기 위해.
• 난류가 H II 영역 팽창을 어떻게 느리게 하는지, 그리고 이온화 기체 압력이 난류 운동 압력과 평형에 도달하는지를 정량화하기 위해.
• 대규모 연령 추정을 위해 3차원 난류 효과를 모방하는 계산적으로 효율적인 1차원 시뮬레이션 격자를 개발하기 위해.
• HRDS 조사에서 확보한 관측 데이터를 바탕으로 Rosette, M16 등 잘 알려진 H II 영역에 대해 방법을 검증하기 위해.
• 은하계 및 외은하계 H II 영역의 대규모 샘플에 대해 이 방법을 적용하여 항성 형성 연구에 활용할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 이 방법은 분석적 해법과 1차원 시뮬레이션을 사용하여 난류 매질 내 H II 영역 팽창을 모델링하며, 난류는 효과적 온도 프로파일을 통해 표현된다.
• Larson의 난류 분자운 스케일링 법칙에 기반한 1차원 시뮬레이션 격자를 계산하여, 압력-크기 그림에서 동등선 곡선을 생성한다.
• 난류 효과는 3차원 시뮬레이션에서 관측된 효과적 에너지 소산률을 반영하기 위해 1차원 모델의 음속을 조정함으로써 통합된다.
• 이 방법은 이온화 기체 압력이 3차원 시뮬레이션과 분석 모델에서 유도된 난류 운동 압력과 평형 상태에 도달한다고 가정한다.
• 각 H II 영역의 연령은 관측된 압력과 크기를 시뮬레이션 격자에서 유도된 동등선 곡선과 매칭함으로써 추정된다.
• 이 접근법은 HRDS 조사 데이터를 사용하여 Rosette, RCW 36, RCW 79, M16 등 네 가지 기준 영역에서 테스트되었으며, 광학적 연령과 비교되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분자운 내 난류가 H II 영역의 팽창 속도와 최종 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 1차원 시뮬레이션 격자가 3차원 난류 매질 내 H II 영역의 동적 진화를 정확히 재현할 수 있는가?
• RQ3 H II 영역 팽창 과정에서 이온화 기체 압력이 난류 운동 압력과 평형 상태에 도달하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 이 방법을 대규모 관측 조사에 적용했을 때 젊은 OB 연합의 신뢰할 수 있는 연령 추정이 가능한가?
• RQ5 지역 밀도 및 초기 조건의 불확실성이 이 방법을 사용한 연령 추정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• H II 영역의 팽창은 난류로 인해 현저히 느려지며, 이온화 기체 압력과 난류 운동 압력 사이에 준평형 상태가 형성된다.
• 1차원 시뮬레이션 격자는 3차원 난류 효과를 성공적으로 재현하여, 압력-크기 동등선 곡선을 통한 정확한 연령 추정이 가능하다.
• Rosette, RCW 36, RCW 79, M16의 연령 추정치는 문헌의 광학적 연령과 양호한 일치를 보이며, 방법의 유효성을 검증한다.
• 이 방법은 밀도 변화에 대해 강건한 편이며, n(1 pc) = 3400 cm⁻³ 기준 ±50% 범위 내에서의 변화에 대해 연령 추정치는 ±0.8 Myr 이내로 변동한다. 극단적 변화 시에는 ±0.8 Myr 이내로 영향을 받는다.
• 자기장과 중력은 대규모 H II 영역 진화에 미치는 영향이 미미하며, 소규모(≤0.1 pc) 동역학에는 영향을 줄 수 있다.
• 이 방법은 은하계 및 근접한 외은하계 시스템의 희박한 H II 영역에 대규모 적용에 적합하며, 항성 형성 모델의 연령 분포 연구에 기여할 수 있다.