[论文解读] Extended Hot Gas Halos Around Starburst Galaxies

Kohji Tomisaka, Joel N. Bregman|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 1992

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 6

一句话总结

本文通过流体动力学模拟研究了星暴星系周围延伸的高温气体晕，表明超新星驱动的风会产生随时间演化的激波前沿，经历三个阶段：盘面扩张、突破盘面和晕中传播。模拟预测在GINGA波段的X射线光度为3×10³⁹至10⁴⁰ erg/s，在Einstein/ROSAT波段约为10⁴¹ erg/s，当晕密度为10⁻³ cm⁻³时，气体在50 Myr内可扩展至40–50 kpc。

ABSTRACT

Reanalysis of Einstein IPC data and new observations from the GINGA LAC indicate the presence of extended X-ray emission (10-50 kpc) around the starburst galaxy M82. Here we model this emission by calculating numerical hydrodynamic simulations of the starburst event to much later times and larger scales than previously considered. For our models, we adopt a supernova rate of 0.1 ${ m yr}^{-1}$, and an extended low-density static halo that is bound to the galaxy. There are three stages to the evolution of the wind-blown bubble and the propagation of the shock front: the bubble expands in an almost uniform density disk gas, with a deceleration of the shock front ($t \alt $ 3.6 Myr); breakout from the disk and the upward acceleration of the shock front (3.6 Myr $\alt t \alt$ 18 Myr); propagation into the halo, leading to a more spherical system and shock deceleration (18 Myr $\alt t$). For a halo density of $10^{-3} { m cm}^{-3}$, the outflow reaches a distance of 40-50 kpc from the center of the starburst galaxy in 50 Myr. We calculate the time evolution of the X-ray luminosity and find that the extended starburst emits $3 imes 10^{39}\lcgs$ to $10^{40}\lcgs$ in the GINGA LAC band and $\sim 10^{41}\lcgs$ in the Einstein or ROSAT HRI band. The degree of the ionization equilibrium in the outflow and its effect on the iron K$α$ line emission are discussed.

研究动机与目标

• 解释在星暴星系M82周围观测到的10–50 kpc范围内的延伸X射线发射的起源。
• 研究在星系晕环境中超新星驱动风的长期演化。
• 模拟从气泡形成到晕中传播的激波前沿的流体动力学演化。
• 量化热喷流气体的X射线光度和电离状态。
• 评估电离平衡对铁Kα线发射的影响。

提出的方法

• 数值流体动力学模拟追踪50 Myr内星暴驱动风的演化，采用每秒0.1次的超新星爆发率。
• 假设存在一个静态的、低密度的晕（10⁻³ cm⁻³），其与星系绑定，初始条件包括均匀密度的盘面。
• 模拟捕捉了三个阶段：激波在盘面中的减速（t < 3.6 Myr），从盘面中突破（3.6 Myr < t < 18 Myr），以及向晕中球面对称膨胀（t > 18 Myr）。
• 通过GINGA LAC和Einstein/ROSAT HRI的能段计算X射线光度随时间的变化。
• 建模电离平衡和铁Kα线发射，以评估喷流的光谱特征。
• 模拟在大空间尺度（高达50 kpc）和长时间（50 Myr）下进行，扩展了以往研究的范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么驱动了在M82周围10–50 kpc范围内观测到的延伸X射线发射？
• RQ2 激波前沿如何随时间从盘面演化进入星系晕？
• RQ3 在不同能量波段中，热喷流的预测X射线光度是多少？
• RQ4 电离平衡如何影响铁Kα发射线的强度？
• RQ5 在现实晕密度条件下，50 Myr时热气体晕的最大延伸范围是多少？

主要发现

• 流体动力学模拟通过展示超新星驱动的风可产生延伸至50 kpc的高温气体晕，重现了观测到的延伸X射线发射。
• 激波前沿经历三个明显阶段：在盘面中减速、突破盘面，以及向晕中球面对称膨胀，转变分别发生在约3.6 Myr和18 Myr。
• 当晕密度为10⁻³ cm⁻³时，喷流在50 Myr内可扩展至距星系中心40–50 kpc。
• 预测的X射线光度在GINGA LAC波段为3×10³⁹至10⁴⁰ erg/s，在Einstein或ROSAT HRI波段约为10⁴¹ erg/s。
• 喷流中未完全达到电离平衡，这影响了铁Kα线发射的预测强度。
• 该模型为M82中延伸晕的形态和X射线特性提供了自洽的解释。