[论文解读] Galactic Superwinds at Low and High Redshift

Timothy M. Heckman|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 7

一句话总结

本文综合了观测与理论证据，表明由星暴驱动的星系超风——由超新星和恒星风提供能量——能高效地将物质与能量从星系中喷射出去，喷流速率与恒星形成速率相当，动能转换效率达30–100%。这些超风驱动了星系核球的质-金属丰度关系，使星系际介质加热至每重子约1 keV，并可能喷射出足够多的尘埃，从而影响宇宙学模型。

ABSTRACT

In this contribution I summarize our current knowledge of the nature and significance of starburst-driven galactic superwinds. These flows are driven primarily by the kinetic energy supplied by supernovae. Superwinds are complex, multiphase phenomena requiring a panchromatic observational approach. They are ubiquitous in galaxies in which the global star-formation rate per unit area exceeds roughly 10$^{-1}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ kpc$^{-2}$ (a condition satisfied by local starbursts and high-z Lyman Break galaxies). Data on X-ray emission, optical line-emission, and optical/UV interstellar absorption-lines together imply that the mass outflow rates are comparable to the star-formation-rates and that the conversion of kinetic energy from supernovae to superwind is quite efficient ($\sim$ 30 to 100%). Measured/inferred outflow speeds range from a few $ imes 10^2$ to 10$^3$ km/s and appear to be independent of the rotation speed of the ``host'' galaxy. The outflows are dusty (dust/gas ratios of $\sim$ 1% by mass). These properties imply that superwinds may have established the mass-metallicity relation in elliptical and bulges, polluted the inter-galactic medium to a metallicity of $\sim$ 10 to 30% solar, heated the inter-galactic medium by up to $\sim$1 kev per baryon, and ejected enough dust into the inter-galactic medium to have potentially observable consequences.

研究动机与目标

• 理解星暴驱动超风在宇宙时空中物理、动力学与化学特性。
• 确定超新星能量向喷流动能转换的效率。
• 评估超风在建立椭圆星系与星系核球质-金属丰度关系中的作用。
• 评估超风对星系际介质（IGM）加热与金属丰度增强的贡献。
• 估算超风将尘埃喷射至星系际介质可能产生的观测影响。

提出的方法

• 通过超新星与恒星风的能量和动量沉积，模拟超风的动力学演化，关键方程包括风的终端速度与气泡膨胀速度。
• 应用Lynden-Bell（1992）模型估算金属保留率，假设当逃逸速度 v_esc < v_wind 时风可逃逸。
• 利用全波段观测——X射线、光学/紫外发射与吸收线、以及射电同步辐射发射——推断喷流特性，如质量载荷、速度与金属丰度。
• 基于Salpeter初始质量函数（IMF）估算可用总动能，假设效率为100%，以评估对星系际介质的加热潜力。
• 通过比较喷流中观测到的尘气质量比与星系际尘埃密度的上限，评估尘埃的存活率与喷射效率。
• 将理论预测的星系际介质加热与金属丰度，与星系团中观测到的X射线及光度-温度关系进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 从超新星到星系超风的动能转换效率是多少？
• RQ2 超风喷流速度与质量载荷如何依赖于星系属性，如旋转速度或恒星形成率面密度？
• RQ3 超风在多大程度上能解释星系核球中观测到的质-金属丰度关系？
• RQ4 超风能否解释星系际介质被加热至每重子约1 keV的观测结果？
• RQ5 超风对星系际介质中观测到的尘埃含量可能有何潜在贡献？

主要发现

• 超风的喷流速率与恒星形成速率相当，表明星暴星系中物质喷射效率很高。
• 从超新星到超风的动能转换效率为30–100%，终端速度为300–800 km/s，且与宿主星系旋转速度无关。
• 观测到的喷流速度与低质量星系通过风驱动逃逸而损失金属的模型一致，可重现椭圆星系中观测到的质-金属丰度关系。
• 标准Salpeter初始质量函数下，超新星提供的动能可为星系际介质提供约1 keV/重子的加热，与星系团中观测到的加热水平一致。
• 超风可能已将足够多的尘埃喷射至星系际介质，使全球尘埃密度达到 Ω_dust ~ 10^-4，可能影响宇宙学模型。
• X射线、光学与紫外观测证实存在富含尘埃、多相的喷流，质量载荷因子 l ≥ 1，尘气质量比约为1%。