[論文レビュー] Radiative cooling instability in 1D colliding flows

R. Walder, Doris Folini|ArXiv.org|May 16, 1996

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、風バブル、超新星残骸、および星風の衝突といった天体的系における1次元衝突流の放射冷却不安定性を、数値シミュレーションを用いて調査している。滑らかな流れでは2つの主要モードを持つ周期的リミットサイクルの不安定性が、非滑らかな流れでは一時的で非周期的な挙動が観察され、これらは放射損失関数と衝撃波のダイナミクスに強く関連している。

ABSTRACT

Radiative shock waves show a strong cooling instability at temperatures above approximately 2 times 10^5 K. We numerically investigate this instability by simulating different astronomical objects in which colliding flows play an outstanding role: Wind bubbles, supernova remnants, and colliding winds. Computing the flow of each object over a large part of its evolutionary time and resolving all physically relevant scales, we find several phenomenologically different types of this instability. If two smooth flows collide, the instability follows a periodic limit cycle with two modes being important. The connection between the radiative loss function and the mode and type of the overstability is discussed. The collision of non-smooth flows can temporarily result in an aperiodic evolution of the system. After a characteristic relaxation time the instability then becomes periodic again. Such disturbances as well as violent types of the instability can excite oscillations of the thin layer of cold compressed gas downstream of the shock, which in turn can influence the stability of the radiative shock.

研究の動機と目的

• 主な天体的環境における1次元衝突流における放射冷却不安定性の性質を理解すること。
• 放射損失関数が衝撃系における不安定性のモードおよび種別に与える影響を特定すること。
• 非滑らかな流れの衝突における非周期的から周期的挙動への遷移を調査すること。
• 不安定性が衝撃波の下流における冷たい圧縮ガス層の安定性に与える影響を分析すること。
• すべての関連物理スケールを解像するように、衝突流の全進化スケールをシミュレートすること。

提案手法

• 有限体積法を用いた1次元流体力学的流れの数値シミュレーションに放射冷却を組み込む。
• 温度および密度に依存する詳細な放射損失関数を導入し、エネルギー損失をモデル化する。
• 風バブル、超新星残骸、星風の衝突という3つの天体的文脈における衝突流をモデル化する。
• 一時的および定常状態の挙動を捉えるために、広範な時間スケールにわたる長期的進化を追跡する。
• 不安定性の成長と飽和を正確に捉えるために、物理的に関連するすべての空間的および時間的スケールを解像する。
• 初期の非滑らかさに対する系の応答を分析し、周期的挙動への緩和時間スケールを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 滑らかな1次元衝突流における放射冷却不安定性はどのように現れるか？
• RQ2 非滑らかな流れの衝突において、非周期的と周期的不安定性モードの間の遷移を決定するのは何か？
• RQ3 不安定性モードは放射損失関数の形状とどのように関連しているか？
• RQ4 冷たい圧縮ガス層における振動が衝撃波の安定性に果たす役割は何か？
• RQ5 初期の流れの不規則性は、不安定性の長期的進化および周期性にどのように影響するか？

主な発見

• 滑らかな衝突流では、放射冷却によって駆動される2つの主要モードを持つ周期的リミットサイクルが観察される。
• 不安定性の種別およびモードは、放射損失関数の関数的形と直接的に関連している。
• 非滑らかな初期条件では、特徴的な緩和時間の後に周期的振動に落ち着く一時的で非周期的な挙動が生じる。
• 激しい不安定性イベントは、衝撃波の下流における冷たい圧縮ガス層の振動を励起する可能性がある。
• この冷たい層における振動は、逆に放射的衝撃波構造全体の安定性に影響を与えることがある。
• シミュレーションにより、風バブルや超新星残骸を含む多様な天体的系において、不安定性が強く安定していることが確認された。