[论文解读] The signature of large scale turbulence driving on the structure of the interstellar medium

Tine Colman, Jean‐François Robitaille+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 84被引用 24

一句话总结

本研究通过模拟星形成盘中1 kpc区域在不同外部湍流注入水平下的情况，调查了大尺度星系湍流驱动是否塑造了星际介质（ISM）。利用多尺度非高斯分割（MnGseg），研究发现：当仅由恒星反馈驱动时，ISM中的相干结构在约60 pc处表现出功率谱转折；而当引入大尺度驱动时，该转折点移至更大尺度（约120 pc）。对大麦哲伦云（LMC）赫歇尔500 μm观测的分析显示，25个区域中仅有1个与仅由反馈驱动的模拟结果一致，表明要解释60 pc以上的ISM结构，必须存在广泛的大尺度驱动。

ABSTRACT

The mechanisms that maintain turbulence in the interstellar medium (ISM) are still not identified. This work investigates how we can distinguish between two fundamental driving mechanisms: the accumulated effect of stellar feedback versus the energy injection from Galactic scales. We perform a series of numerical simulations describing a stratified star forming ISM subject to self-consistent stellar feedback. Large scale external turbulent driving of various intensities is added to mimic galactic driving mechanisms. We analyse the resulting column density maps with a technique called Multi-scale non-Gaussian segmentation that separates the coherent structures and the Gaussian background. This effectively discriminates between the various simulations and is a promising method to understand the ISM structure. In particular the power spectrum of the coherent structures flattens above 60 pc when turbulence is driven only by stellar feedback. When large-scale driving is applied, the turn-over shifts to larger scales. A systematic comparison with the Large Magellanic Cloud (LMC) is then performed. Only 1 out of 25 regions has a coherent power spectrum which is consistent with the feedback-only simulation. A detailed study of the turn-over scale leads us to conclude that regular stellar feedback is not enough to explain the observed ISM structure on scales larger than 60 pc. Extreme feedback in the form of supergiant shells likely plays an important role but cannot explain all the regions of the LMC. If we assume ISM structure is generated by turbulence, another large scale driving mechanism is needed to explain the entirety of the observations.

研究动机与目标

• 确定大尺度星系湍流驱动是否在星际介质（ISM）结构中留下可检测的痕迹。
• 区分恒星反馈与大尺度驱动作为维持ISM湍流的主导机制。
• 检验ISM相干结构功率谱的转折尺度是否可作为主导驱动机制的诊断工具。
• 基于观测数据，评估大尺度驱动在解释大麦哲伦云（LMC）ISM结构中的作用。

提出的方法

• 对包含自洽恒星反馈和不同水平大尺度外部湍流驱动的星系盘1 kpc区域进行数值模拟。
• 应用多尺度非高斯分割（MnGseg）对柱密度图进行处理，将相干结构与高斯背景分离。
• 对分割后的成分使用基于小波的功率谱分析，量化不同尺度上的结构特征。
• 将模拟结果与赫歇尔500 μm对LMC的观测进行比较，将星系划分为25个区域以进行统计对比。
• 利用模拟数据测试算法参数和解释方法，确保在应用于观测前具有鲁棒性。
• 分析相干功率谱转折尺度的局域变化，以推断潜在的驱动机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 大尺度湍流驱动是否在ISM结构的功率谱中留下可检测的特征？
• RQ2 ISM相干结构功率谱中的转折尺度能否区分仅由恒星反馈驱动与大尺度驱动的场景？
• RQ3 大麦哲伦云（LMC）的观测在多大程度上支持存在超出恒星反馈解释能力的大尺度驱动？
• RQ4 在反馈本身不足以维持湍流的区域，可能的物理机制是什么？

主要发现

• 当湍流仅由恒星反馈驱动时，ISM相干结构的功率谱在约60 pc处出现转折，与超新星遗迹的典型尺度一致。
• 当引入大尺度外部驱动时，转折尺度移至约120 pc，表明形成了更大尺度的相干结构。
• 在LMC的25个区域中，仅有1个区域的功率谱与仅由反馈驱动的模拟结果一致，表明大尺度驱动在星系的大部分区域中普遍存在。
• 30 Doradus区域表现出特别大的转折尺度，可能与极端恒星反馈形成的超大壳层有关，但无法解释所有观测区域。
• LMC中恒星棒的存在可能有助于大尺度驱动，提示星系动力学可能是潜在机制。
• 结果表明，仅靠恒星反馈不足以解释60 pc以上尺度的ISM结构，必须存在额外的大尺度驱动机制，才能解释全部观测结果。