[论文解读] Galactic Winds and the Role Played by Massive Stars

Timothy M. Heckman, Todd A. Thompson|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2017

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 30

一句话总结

本文综述了大质量恒星、超新星和辐射驱动星系风的物理机制，强调其多相特性及其在调控星系演化中的作用。研究表明，特别是星暴星系（如M82）中的动量驱动星风可达到高ves（100–1000 km/s）和与恒星形成率相当的质量抛射率，其动量输出率与大质量恒星的输入动量相当。

ABSTRACT

Galactic winds from star-forming galaxies play at key role in the evolution of galaxies and the inter-galactic medium. They transport metals out of galaxies, chemically-enriching the inter-galactic medium and modifying the chemical evolution of galaxies. They affect the surrounding inter-stellar and circum-galactic media, thereby influencing the growth of galaxies through gas accretion and star-formation. In this contribution we first summarize the physical mechanisms by which the momentum and energy output from a population of massive stars and associated supernovae can drive galactic winds. We use the proto-typical example of M82 to illustrate the multiphase nature of galactic winds. We then describe how the basic properties of galactic winds are derived from the data, and summarize how the properties of galactic winds vary systematically with the properties of the galaxies that launch them. We conclude with a brief discussion of the broad implications of galactic winds.

研究动机与目标

• 理解大质量恒星和超新星通过动量与能量注入驱动星系风的物理机制。
• 解释星系风的多相特性，从相对论性电浆到冷分子气体，如M82系统中所观测到的。
• 量化星风属性（速度、质量、动量输出率）与恒星形成率及星系特性的 scaling 关系。
• 评估星系风在调控恒星形成、富集星系际介质以及塑造星系演化中的作用。
• 突出在宇宙学模拟中建模反馈的挑战，并强调改进亚网格物理模型的必要性。

提出的方法

• 使用Chevalier & Clegg（1985）的自相似模型描述高温、超新星加热气体的绝热膨胀，其中 $ V_{\infty} = (2\dot{E}/\dot{M})^{1/2} $ 且 $ T \propto V_{\infty}^2 $。
• 应用能量与质量守恒推导在无辐射冷却和引力作用下的渐近风速与温度分布。
• 分析来自X射线、紫外/光学、红外和射电波段的观测数据，识别不同相态：$ T \sim 10^8 $ K（相对论性）、$ 10^7 $ K（热）、$ 10^4 $ K（暖电离）、中性原子及分子气体。
• 采用星际吸收线光谱法测量星风速度，并推断质量与动量输出率。
• 将观测到的动量输出率与恒星反馈（恒星风、超新星、辐射压力）的理论预测进行比较，以评估效率。
• 以M82星暴星系为原型，检验理论与多波段观测在各相态下的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大质量恒星与超新星的联合动量与能量输出如何驱动多相星系风？
• RQ2 何种物理机制使气体在不发生激波加热至抑制可观测发射或吸收的温度下，仍能达到高速（100–1000 km/s）？
• RQ3 星系风的属性（速度、质量、动量输出率）如何随单位面积恒星形成率（SFR/A）变化？
• RQ4 观测到的动量输出率在多大程度上与大质量恒星的动量输入一致？这对反馈效率有何含义？
• RQ5 星系风如何影响星系的化学演化及星系际介质，特别是在金属喷射与晕加热方面？

主要发现

• 在强星风（如M82）中，动量输出率与大质量恒星的总动量输入相当，表明动量驱动的星风加速效率很高。
• 在M82中，质量抛射率为 ~0.16 $ M_{\odot} $ yr$^{-1} $，携带金属的抛射率为 ~0.14 $ M_{\odot} $ yr$^{-1} $，表明金属喷射效率高，且与恒星形成率相当。
• 暖电离相的星风速度与单位面积恒星形成率（SFR/A）强相关，高SFR/A系统中速度超过星系逃逸速度。
• 在M82等星系中，高温相（$ T \sim 10^7 $ K）与暖电离相（$ T \sim 10^4 $ K）沿小轴方向表现出紧密的空间相关性，支持其具有共同的驱动机制。
• 在较冷、较密的相态中，尘埃上的辐射压力也可贡献于加速，尤其在高SFR环境中更为显著。
• 星系风为多相结构，包含从相对论性电浆到冷分子气体的多种组分，其属性需通过X射线、紫外、红外和射电波段的多波段观测联合约束。