[论文解读] Is the Plasma Within Bubbles and Superbubbles Hot or Cold?

Mordecai‐Mark Mac Low|arXiv (Cornell University)|Dec 28, 1999

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 4

一句话总结

本文研究了恒星风泡和超新星泡内部的电浆是热的（数百万度）还是冷的，挑战了经典模型中因激波加热而预测内部为热的假设。Mac Low 分析了观测中的不一致之处——X射线辐射被探测到，但通常比预测值过弱或过强——表明冷内部可能比假设中更常见，尤其是在 NGC 6888 等演化系统中，导热蒸发和冷却过程主导了加热过程。

ABSTRACT

I review what is known about the temperature of the plasma within stellar wind bubbles and superbubbles. Classical theory suggests that it should be hot, with characteristic temperatures of order a million degrees. This temperature should be set by the balance between heating by the internal termination shocks of the central stellar winds and supernovae, which expand at thousands of km/s, and cooling by conductive evaporation of cold gas off the shell walls. However, if the hot interior gas becomes dense enough due to evaporation or ablation off of interior clouds, it will cool in less than a dynamical time, leading to a cold interior. The observational evidence appears mixed. On the one hand, X-ray emission has been observed from both stellar wind bubbles and superbubbles. On the other hand, no stellar wind bubble or superbubble has yet been observed emitting at the rate predicted by the classical theory: they are either too faint or too bright, by up to an order of magnitude. Alternate explanations have been proposed for the observed emission, including off-center supernova remnants hitting the shell walls of superbubbles, and residual emission from highly-ionized gas out of coronal equilibrium. Furthermore, the structures of post-main sequence stellar wind bubbles, expanding into what are presumably old stellar wind bubbles, appear in at least some cases to show that the bubble interior is cold, not hot. (The classical example of this is NGC 6888.) What is the actual state of bubble and superbubble interiors?

研究动机与目标

• 评估恒星风泡和超新星泡内部电浆的热状态，质疑经典理论所预测的内部确实为热的假设。
• 调和观测到的X射线辐射与理论预测之间的差异，这些差异有时高达一个数量级。
• 评估来自致密云层的导热蒸发和剥蚀是否会导致快速冷却，从而在内部存在加热源的情况下仍形成冷内部。
• 通过 NGC 6888 等演化系统的结构证据，判断冷内部是否在观测上得到支持。
• 评估X射线辐射的其他解释，如偏离中心的超新星遗迹或非平衡电离效应。

提出的方法

• 回顾经典泡形成模型，强调恒星风和超新星（约1000 km/s）内部加热与通过导热蒸发冷却之间的平衡。
• 分析来自壳层壁的冷气体蒸发的作用，其可增加密度并触发动力学时标内的快速冷却。
• 评估来自X射线望远镜的已知泡和超新星泡的观测数据，将通量与理论预期进行比较。
• 考虑非平衡电离效应作为观测X射线辐射与平衡模型不匹配的可能解释。
• 通过演化泡（如 NGC 6888）的形态特征，从结构和辐射模式推断内部温度。
• 回顾X射线辐射的其他来源，包括撞击泡壳的外部超新星遗迹。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何观测到的泡和超新星泡的X射线光度常与经典理论预测值相差高达一个数量级？
• RQ2 在何种条件下，来自壳层壁的冷气体导热蒸发会导致内部电浆快速冷却？
• RQ3 基于结构和辐射数据，演化恒星风泡（如 NGC 6888）的内部是否真正为冷而非热？
• RQ4 非平衡电离或偏离中心的超新星遗迹是否能解释观测到的X射线辐射，而无需假设存在热内部？
• RQ5 是什么决定了泡内电浆保持热状态还是在内部加热源存在的情况下转变为冷态？

主要发现

• 经典理论预测由于恒星风和超新星的激波加热，内部温度约为10^6 K，但观测到的X射线辐射常与预测值显著偏离。
• 在某些演化泡（如 NGC 6888）中，内部似乎为冷态，表明导热蒸发和剥蚀可使电浆冷却速度超过加热维持温度的速度。
• 在恒星风泡和超新星泡中均观测到X射线辐射，但光度与理论预期相比，要么过弱要么过强，差异可达一个数量级。
• X射线辐射的其他解释包括偏离中心的超新星遗迹撞击壳层壁，以及非冕平衡状态下的高度电离气体残留辐射。
• 内部致密云层的存在或蒸发导致的密度增加，可使电浆在小于动力学时标内冷却，从而导致冷内部。
• 理论与观测之间的差异表明，许多泡的内部可能比先前假设的更冷，这挑战了标准热电浆模型。