[论文解读] Age, size, and position of H ii regions in the Galaxy. Expansion of ionized gas in turbulent molecular clouds

Pascal Tremblin, L. D. Anderson+9 more|The Research Repository @ WVU (West Virginia University)|Jun 6, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 30被引用 37

一句话总结

该论文提出了一种新方法，通过在湍流分子云中建模其膨胀，来估算银河系内 H ii 区域的动力学年龄。该方法基于一组校准至解析解和三维湍流效应的 1D 模拟网格。关键结果是电离气体压力与湍流动压达到准平衡状态，从而可通过压力-尺寸图中的等龄线曲线对年轻 OB 星协实现精确的年龄估计。该方法在罗塞塔星云和 M16 等著名区域得到验证，与文献中的年龄结果高度一致。

ABSTRACT

This work aims at improving the current understanding of the interaction between H ii regions and turbulent molecular clouds. We propose a new method to determine the age of a large sample of OB associations by investigating the development of their associated H ii regions in the surrounding turbulent medium. Using analytical solutions, one-dimensional (1D), and three-dimensional (3D) simulations, we constrained the expansion of the ionized bubble depending on the turbulent level of the parent molecular cloud. A grid of 1D simulations was then computed in order to build isochrone curves for H ii regions in a pressure-size diagram. This grid of models allowed to date large sample of OB associations and was used on the H ii Region Discovery Survey (HRDS). Analytical solutions and numerical simulations showed that the expansion of H ii regions is slowed down by the turbulence up to the point where the pressure of the ionized gas is in a quasi-equilibrium with the turbulent ram pressure. Based on this result, we built a grid of 1D models of the expansion of H ii regions in a profile based on Larson laws. The 3D turbulence is taken into account by an effective 1D temperature profile. The ages estimated by the isochrones of this grid agree well with literature values of well-known regions such as Rosette, RCW 36, RCW 79, and M16. We thus propose that this method can be used to give ages of young OB associations through the Galaxy such as the HRDS survey and also in nearby extra-galactic sources.

研究动机与目标

• 通过考虑分子云中的湍流对 H ii 区域膨胀的影响，改进对年轻 OB 星协的年龄估计。
• 量化湍流如何减缓 H ii 区域的膨胀，并导致其与湍流动压达到压力平衡。
• 开发一种计算高效的 1D 模拟网格，以模拟三维湍流效应，适用于大规模年龄估计。
• 利用 HRDS 巡天的观测数据，对罗塞塔星云和 M16 等著名 H ii 区域进行方法验证。
• 使该方法可应用于银河系及河外星系中大量 H ii 区域的年龄估计，以支持恒星形成研究。

提出的方法

• 该方法结合解析解与 1D 模拟，模拟湍流介质中 H ii 区域的膨胀，其中湍流通过有效温度分布来表示。
• 基于拉尔森的湍流分子云标度律，计算一组 1D 模拟，生成压力-尺寸图中的等龄线曲线。
• 通过调整 1D 模型中的声速，反映三维模拟中观测到的有效能量耗散率，从而引入湍流效应。
• 该方法假设电离气体压力与湍流动压达到平衡，其关系由三维模拟和解析模型推导得出。
• 通过将每个 H ii 区域的观测压力与尺寸与模拟网格生成的等龄线曲线匹配，推断其年龄。
• 该方法在四个基准区域（罗塞塔星云、RCW 36、RCW 79、M16）上使用 HRDS 巡天数据进行测试，并与光度年龄进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 分子云中的湍流如何影响 H ii 区域的膨胀速率和最终尺寸？
• RQ2 1D 模拟网格能否准确再现三维湍流介质中 H ii 区域的动力学演化？
• RQ3 电离气体压力在 H ii 区域膨胀过程中，与湍流动压达到平衡的程度如何？
• RQ4 当应用于大规模观测巡天时，该方法能否提供对年轻 OB 星协的可靠年龄估计？
• RQ5 局部密度和初始条件的不确定性如何影响该方法的年龄估计？

主要发现

• 湍流显著减缓 H ii 区域的膨胀，导致电离气体压力与湍流动压之间达到准平衡状态。
• 1D 模拟网格成功再现了三维湍流效应，使得通过压力-尺寸等龄线曲线实现精确年龄估计成为可能。
• 对罗塞塔星云、RCW 36、RCW 79 和 M16 的年龄估计与文献中的光度年龄高度一致，验证了方法的有效性。
• 该方法对中等密度变化（n(1 pc) = 3400 cm⁻³ 周围 ±50%）具有鲁棒性，极端情况下年龄估计变化不超过 ±0.8 Myr。
• 磁场和引力对大尺度 H ii 区域演化影响可忽略不计，尽管它们可能影响小尺度（≤0.1 pc）的动力学。
• 该方法适用于银河系及附近河外星系中弥散 H ii 区域的大规模应用，可支持恒星形成模型中年龄分布的研究。