[论文解读] The structure and composition of multiphase galactic winds in a Large Magellanic Cloud mass simulated galaxy

Ulrich P. Steinwandel, Chang‐Goo Kim+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 5

一句话总结

本研究首次采用非平衡冷却、光电加热及通过MFM流体动力学方法实现的超新星反馈，对一颗质量约为$10^{11}$ M$_\odot$的LMC质量星系进行了高分辨率、多相星系风模拟。结果发现质量载荷因子$\eta_{\mathrm{M}} \sim 1.0$，能量载荷因子$\eta_{\mathrm{E}} \sim 0.01$，风具有双峰结构，主要由温相（$T < 5\times10^5$ K）和热相（$T > 5\times10^5\,$K）主导，平均风张角为30度，与观测到的标度关系一致。

ABSTRACT

We present the first results from a high resolution simulation with a focus on galactic wind driving for an isolated galaxy with a halo mass of $\sim 10^{11}$ M$_{\odot}$ (similar to the Large Magellanic Cloud) and a total gas mass of $\sim 6 imes 10^{8}$ M$_{\odot}$, resulting in $\sim 10^{8}$ gas cells at $\sim 4$ M$_{\odot}$ mass resolution. We adopt a resolved stellar feedback model with non-equilibrium cooling and heating, including photoelectric heating and photo-ionizing radiation, as well as supernovae (SNe), coupled to the second order meshless finite mass (MFM) method for hydrodynamics. These features make this the largest resolved-ISM galaxy model run to date. We find mean star formation rates around $0.05$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ and evaluate typical time averaged loading factors for mass ($η_\mathrm{M}$ $\sim$ 1.0, in good agreement with recent observations) and energy ($η_\mathrm{E}$ $\sim$ 0.01). The bulk of the mass of the wind is transported by the warm ($T &lt; 5 imes 10^5$K) phase, while there is a similar amount of energy transported in the warm and the hot phases ($T &gt; 5 imes 10^5$K). We find an average opening angle of 30 degrees for the wind, decreasing with higher altitude above the midplane. The wind mass loading is decreasing (flat) for the warm (hot) phase as a function of the star formation surface rate density $Σ_{ m SFR}$, while the energy loading shows inverted trends with $Σ_{ m SFR}$, decreasing for the warm wind and increasing for the hot wind, although with very shallow slopes. These scalings are in good agreement with previous simulations of resolved wind driving in the multi-phase ISM.

研究动机与目标

• 对质量约为$10^{11}$ M$_\odot$的孤立LMC质量星系进行高分辨率模拟，解析星际介质（ISM）。
• 研究由超新星及非平衡冷却/加热过程驱动的多相风的结构与组成。
• 量化质量与能量载荷因子及其与恒星形成率面密度（$\Sigma_{\rm SFR}$）的依赖关系。
• 将模拟风特性与观测标度关系及先前模拟结果进行比较。
• 评估反馈机制在塑造风形态与多相结构中的作用。

提出的方法

• 模拟一个晕质量约为$10^{11}$ M$_\odot$、气体质量约为$6\times10^8$ M$_\odot$的孤立星系，以约4 M$_\odot$的质量空间分辨率解析约$10^8$个气体粒子。
• 采用二阶无网格有限质量（MFM）方法进行流体动力学模拟，以精确建模复杂的ISM反馈。
• 整合了解析的恒星反馈，包含非平衡冷却、光电加热、光离化辐射及超新星（SNe）效应。
• 采用完整风驱动周期的时间平均分析，以评估风的统计特性。
• 在不同高度与径向区域计算质量与能量载荷因子（$\eta_{\mathrm{M}}$，$\eta_{\mathrm{E}}$）。
• 分析不同风相与高度下，流出速度与声速的联合概率密度函数（PDF）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在解析ISM的LMC质量星系中，星系风的质量与能量载荷因子为何？
• RQ2 风的温相与热相如何分别贡献于质量与能量输运？
• RQ3 风的空间结构与张角如何？其随星系盘面以上高度的变化如何？
• RQ4 风载荷因子如何随恒星形成率面密度（$\Sigma_{\rm SFR}$）变化？
• RQ5 模拟风特性与观测标度关系及先前模拟结果相比如何？

主要发现

• 模拟星系的平均恒星形成率为$\sim 0.05$ M$_\odot$ yr$^{-1}$，周期约为150 Myr，与观测到的矮星系参数一致。
• 在1 kpc高度处，质量载荷因子为$\eta_{\mathrm{M}} \sim 1.0$，在10 kpc处下降至$\sim 0.1$，表明在更高高度处热风占主导。
• 在1 kpc处能量载荷因子为$\eta_{\mathrm{E}} \sim 0.01$，在10 kpc处略微下降至$9\times10^{-3}$，证实了能量的持续注入。
• 风呈现双峰结构，温相（$T < 5\times10^5$ K）与热相（$T > 5\times10^5$ K）在质量与能量输运方面贡献相当。
• 平均风张角约为$\sim 30^\circ$，在约3 kpc高度处达到峰值，流线结构类似于弹道风。
• 温风的质量载荷随$\Sigma_{\rm SFR}$减小（斜率$\sim -0.5$），而热风质量载荷呈微弱正相关（$\sim +0.01$），能量载荷则呈现相反趋势，500 pc高度处斜率为$-0.14$（温相）与$+0.13$（热相）。