[論文レビュー] Extended Hot Gas Halos Around Starburst Galaxies

Kohji Tomisaka, Joel N. Bregman|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 1992

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、星形成暴走銀河の周囲に広がる高温ガスハローを流体力学的シミュレーションでモデル化し、超新星駆動風が衝撃波を形成し、3段階にわたる段階へと進化することを示している：ディスク拡張、ディスクからの脱出、ハローへの拡張。シミュレーションでは、GINGAバンドで3×10³⁹〜10⁴⁰ erg/s、Einstein/ROSATバンドで約10⁴¹ erg/sのX線輝度を予測しており、ハロー密度が10⁻³ cm⁻³の条件下で50 Myrでガスが40〜50 kpcに達することを示している。

ABSTRACT

Reanalysis of Einstein IPC data and new observations from the GINGA LAC indicate the presence of extended X-ray emission (10-50 kpc) around the starburst galaxy M82. Here we model this emission by calculating numerical hydrodynamic simulations of the starburst event to much later times and larger scales than previously considered. For our models, we adopt a supernova rate of 0.1 ${ m yr}^{-1}$, and an extended low-density static halo that is bound to the galaxy. There are three stages to the evolution of the wind-blown bubble and the propagation of the shock front: the bubble expands in an almost uniform density disk gas, with a deceleration of the shock front ($t \alt $ 3.6 Myr); breakout from the disk and the upward acceleration of the shock front (3.6 Myr $\alt t \alt$ 18 Myr); propagation into the halo, leading to a more spherical system and shock deceleration (18 Myr $\alt t$). For a halo density of $10^{-3} { m cm}^{-3}$, the outflow reaches a distance of 40-50 kpc from the center of the starburst galaxy in 50 Myr. We calculate the time evolution of the X-ray luminosity and find that the extended starburst emits $3 imes 10^{39}\lcgs$ to $10^{40}\lcgs$ in the GINGA LAC band and $\sim 10^{41}\lcgs$ in the Einstein or ROSAT HRI band. The degree of the ionization equilibrium in the outflow and its effect on the iron K$α$ line emission are discussed.

研究の動機と目的

• 星形成暴走銀河M82の周囲に観測された拡張したX線放射（10〜50 kpc）の起源を説明すること。
• 銀河ハロー環境における超新星駆動風の長期的進化を調査すること。
• バブル形成からハローへの拡張に至る衝撃波の流体力学的進化をモデル化すること。
• 高温の噴出ガスのX線輝度とイオン化状態を定量すること。
• イオン化平衡が鉄Kα線の発光に与える影響を評価すること。

提案手法

• 数値的流体力学的シミュレーションにより、50 Myrにわたる星形成暴走駆動風の進化を追跡し、超新星発生率は0.1 yr⁻¹とする。
• 銀河に束縛された静的で低密度のハロー（10⁻³ cm⁻³）を仮定し、一様な密度を持つディスクを初期条件として設定する。
• シミュレーションは3段階の過程を捉えている：衝撃波がディスク内で減速する段階（t < 3.6 Myr）、ディスクから脱出する段階（3.6 Myr < t < 18 Myr）、ハローへの球状拡張に移行する段階（t > 18 Myr）。
• GINGA LACおよびEinstein/ROSAT HRIのスペクトルバンドを用いて、時間経過に伴うX線輝度を計算する。
• イオン化平衡と鉄Kα線の発光をモデル化し、噴出ガスのスペクトル的特徴を評価する。
• 従来の研究を上回る大きな空間スケール（最大50 kpc）と長時間（50 Myr）にわたるシミュレーションを実行する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M82周辺の10〜50 kpcにわたる拡張X線放射を引き起こす要因は何か？
• RQ2 衝撃波は時間の経過とともにディスクから銀河ハローへどのように進化するか？
• RQ3 異なるエネルギー帯域における高温噴出ガスの予測X線輝度は何か？
• RQ4 イオン化平衡が鉄Kα線の強度に与える影響は何か？
• RQ5 現実的なハロー密度条件下で、50 Myr経過時に高温ガスハローが達する最大の広がりは何か？

主な発見

• 流体力学的シミュレーションにより、超新星駆動風が50 kpcに達する高温ガスハローを形成できることを示し、観測された拡張X線放射を再現している。
• 衝撃波は3つの明確な段階に進化する：ディスク内での減速、ディスクからの脱出、ハローへの球状拡張で、それぞれの遷移は約3.6 Myrと約18 Myrに起こる。
• ハロー密度が10⁻³ cm⁻³の条件下で、噴出ガスは50 Myrのうちに銀河中心から40〜50 kpcに達する。
• 予測されるX線輝度は、GINGA LACバンドで3×10³⁹〜10⁴⁰ erg/s、EinsteinまたはROSAT HRIバンドで約10⁴¹ erg/sである。
• 噴出ガスではイオン化平衡が完全に達成されていないため、予測される鉄Kα線の発光に影響を与える。
• 本モデルは、M82の拡張ハローの形態とX線的性質を一貫した説明を提供する。