[논문 리뷰] Pulsar bow-shock nebulae. II. Hydrodynamical simulation

N. Bucciantini|ArXiv.org|2002. 03. 28.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 27인용 수 48

한 줄 요약

이 논문은 열비가 다른 두 성분(환경 매질과 펄서 풍)을 가진 이중 성분 모델을 사용하여 펄서 bow-shock 성운의 2차원 유체역학적 시뮬레이션을 제시한다. 이는 정적 '두 두꺼운 층' 모델이 정류점 거리의 3–4배 이내에서 형태, 표면 밀도 및 탄성 속도를 잘 예측함을 검증한다. 중성 수소의 침투 두께는 성운 머리부분에서 오직 2배 정도로 변동하여, 초도 해석을 위한 단순화된 모델의 사용을 지지한다. 반면 질량 적재와 자기장이 관측된 성운(예: '기터 성운')에서의 원뿔형 꼬리 형성에 기여할 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present hydrodynamical simulations, using a 2-D two component model (ambient medium and pul sar wind have different specific heat ratios), of bow shocks in a representative regime for pu lsar wind driven bow-shock nebulae. We also investigate the behaviour of a passive toroidal ma gnetic field wound around the pulsar velocity direction. Moreover we estimate the opacity of t he bow-shock to penetration of ISM neutral hydrogen: this quantity affects observable properti es of the nebula, like its size, shape, velocity and surface brightness distribution. Finally we compare these numerical results with those from an analytical model. The development of mor e realistic models is needed in order to tune the criteria for searches of new such objects, a s well as to interpret data on the known objects.

연구 동기 및 목표

• 환경 매질과 상대론적 펄서 풍이 각각 다른 열비를 가지는 현실적인 이중 성분 시스템에서 펄서 bow-shock 성운의 유체역학을 시뮬레이션한다.
• 형태, 표면 밀도 및 속도 구조를 예측하는 데 있어 분석적 '두 두꺼운 층' 모델의 타당성을 시험한다.
• 특히 꼬리를 콘형으로 만드는 데 기여하는 피동적인 원통형 자기장의 역할을 조사한다.
• 충격을 입은 성운 내로 중성 수소 원자가 침투하는 두께를 추정하여, 밝기 및 크기와 같은 관측 가능한 성질에 미치는 영향을 분석한다.
• 순수한 유체역학적 모델이 '기터 성운'과 같은 일부 관측된 성운에서 관측된 원뿔형 꼬리 형태를 설명할 수 있는지 평가한다.

제안 방법

• 2차원 CLAWPACK 코드를 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하였으며, 2차 정확도의 고두노프 스킴, 조각별 선형 재구성 및 횡방향 플럭스 보정을 적용하였다.
• 원통형 대칭을 가정하고 기하학적 항목을 처리하기 위해 스트랑 분할을 사용하였다.
• 경계 조건으로 펄서 주변의 구 내부에서 유동 변수를 자유 흐름 값으로 재설정하고, 오른쪽에서 균일한 풍속을 도입하였으며, 축에는 반사 조건, 왼쪽에는 유출 조건을 적용하였다.
• 물리적 조건을 더 잘 반영하기 위해 펄서 풍과 환경 매질 각각에 다른 비열비를 설정하였다.
• 중성 수소 원자의 성운 내 침투는 전하 교환 단면적과 상대 속도를 기반으로 평균 자유 경로를 추정하여 모델링하였다.
• 정류점 이후의 꼬리 영역까지 시뮬레이션을 연장하여 분석 모델의 적용 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분석적 '두 두꺼운 층' 모델은 2차원 시뮬레이션에서 펄서 bow-shock 성운의 유체역학적 구조를 어느 정도 정확하게 재현하는가?
• RQ2 중성 수소의 침투 두께는 성운 머리부분에서 어떻게 변동하는가? 그리고 정류점 중심의 단순 모델로 근사할 수 있는가?
• RQ3 피동적인 원통형 자기장은 꼬리를 콘형으로 만드는 데 있어 성운 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 순수한 유체역학적 시뮬레이션은 '기터 성운'과 같은 성운에서 관측된 원뿔형 꼬리 형태를 설명할 수 있는가? 아니면 추가적인 과정이 필요한가?
• RQ5 이온화된 중성 수소에 의한 질량 적재는 특히 꼬리 영역에서 유동 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 분석적 '두 두꺼운 층' 모델은 정류점 거리의 3–4배 이내에서 성운의 형태, 표면 밀도 및 탄성 속도에 대해 우수한 근사치를 제공한다.
• 연구한 펄서 속도 범위에서 성운 머리부분의 중성 수소 침투 두께는 오직 2배 정도로 변동하여, 정류점 중심의 단순 모델이 상당히 정확하다는 것을 시사한다.
• 전하 교환 과정에 의한 질량 적재는 유속 감소와 압력 증가를 초래할 것으로 예상되며, 이는 일부 성운에서 관측된 원뿔형 꼬리 형태를 설명할 수 있다.
• 펄서의 속도 축을 감싸는 원통형 자기장이 흐름을 콘형으로 유지하고 옆으로의 확산을 방지하며 꼬리 구조의 안정성을 높일 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 충격을 입은 간성간 매질의 광이온화와 같은 충격 이온화 이외의 이온화 과정이 관측된 꼬리 형태를 설명하기 위해 필요할 수 있음을 시사한다.
• 자기장과 상대론적 효과의 역할을 더 깊이 이해하기 위해 풀 MHD 및 상대론적 HD 시뮬레이션이 필요하다.