[论文解读] Galactic Superwinds Circa 2001

Timothy M. Heckman|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2001

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 14

一句话总结

本文综述了由星暴活动驱动的星系超风，表明它们是多相气体、尘埃和相对论性等离子体的喷流，其质量与能量喷出速率与恒星形成速率及机械能输入速率相当。主要结果包括喷流速度高达3000 km/s、辐射损失可忽略不计，且超风很可能建立了质量-金属丰度关系，将星系际介质的金属丰度提升至约10–30%太阳金属丰度，并通过能量反馈加热该介质。

ABSTRACT

In this contribution I summarize our current knowledge of the nature and significance of starburst-driven galactic winds (``superwinds''). Superwinds are complex multiphase outflows of cool, warm, and hot gas, dust, and magnetized relativistic plasma. The observational manifestations of superwinds result from the hydrodynamical interaction between the primary energy-carrying wind fluid and the ambient interstellar medium. Superwinds are ubiquitous in galaxies in which the global star-formation rate per unit area exceeds roughly 10$^{-1}$ M$_{\odot}$ yr$^{-1}$ kpc$^{-2}$. This criterion is met by local starbursts and the high-z Lyman Break galaxies. Several independent datasets and techniques imply that the total mass and energy outflow rates in a superwind are comparable to the starburst's star-formation-rate and mechanical energy injection rate, respectively. Outflow speeds in interstellar matter entrained in the wind range from $\sim 10^2$ to $10^3$ km/s, but the primary wind fluid itself may reach velocities as high as $\sim$3000 km s$^{-1}$. The available X-ray and far-UV ($FUSE$) data imply that radiative losses in superwinds are not significant. Superwinds may have established the mass-metallicity relation in ellipticals and bulges, polluted the present-day inter-galactic medium to a metallicity of $\sim$ 10 to 30% solar, heated the inter-galactic medium, and ejected enough dust into the inter-galactic medium to have potentially observable consequences.

研究动机与目标

• 理解星暴驱动的星系超风的动力学演化及其观测特征。
• 量化质量与能量喷出速率，并与恒星形成速率及机械能输入速率进行比较。
• 评估超风在建立星系质量-金属丰度关系中的作用。
• 评估超风对星系际介质的影响，包括金属丰度的富集与加热。
• 研究尘埃被喷射至星系际介质的可能性及其宇宙学意义。

提出的方法

• 利用绝热风泡膨胀理论和超新星及恒星风的能量沉积速率，模拟超风的流体动力学演化。
• 应用泡体膨胀速度公式：$ v_{Bubble} \sim 100 \dot{E}_{42}^{1/5} n_0^{-1/5} t_7^{-2/5} $ km/s，估算激波前缘速度。
• 使用风终端速度公式：$ v_{wind} \sim 3000 \mathcal{L}^{-1/2} $ km/s，估算主要喷流流体速度。
• 分析环境云团的动压加速：$ v_{cloud} \sim 600 \dot{p}_{34}^{1/2} \Omega_w^{-1/2} r_{0,kpc}^{-1/2} N_{cloud,21}^{-1/2} $ km/s。
• 利用X射线和FUSE数据推断超风中辐射损失不显著。
• 将观测到的喷流速率与恒星形成速率及能量注入速率进行比较，评估效率与反馈影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 星暴驱动的超风的动力学演化过程如何？它们如何从超泡过渡为双极喷流？
• RQ2 超风中观测到的发射线与吸收线特征，如何由喷流与周围星际介质之间的流体动力学相互作用产生？
• RQ3 超风的质量与能量喷出速率是多少？它们与恒星形成速率及机械能输入速率相比如何？
• RQ4 超风在星系际介质的金属丰度富集与加热方面起到多大程度的作用？
• RQ5 超风能否解释星系球状结构中观测到的质量-金属丰度关系以及星系际介质的金属丰度？

主要发现

• 在恒星形成速率超过~10^{-1} M⊙ yr^{-1} kpc^{-2}的星系中，超风普遍存在，包括本地星暴星系和高红移莱曼断裂星系。
• 超风的质量与能量喷出速率分别与恒星形成速率及机械能输入速率相当，表明其效率很高。
• 被卷带的星际气体喷流速度范围为~10^2至10^3 km/s，而主要喷流流体速度可达~3000 km/s。
• X射线与FUSE数据表明，超风中的辐射损失并不显著，支持绝热膨胀模型。
• 超风很可能建立了椭圆星系与星系核球的质量-金属丰度关系，并将星系际介质的金属丰度提升至约10–30%太阳金属丰度。
• 超风可能加热了星系际介质，并喷射出足够多的尘埃，产生宇宙学可探测效应，星系际尘埃总密度的上限为Ω_dust ~ 10^{-4}。