[论文解读] Large-scale Interstellar Structure and the Heliosphere

P. C. Frisch, N. A. Schwadron|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2013

Solar and Space Plasma Dynamics被引用 3

一句话总结

本文提出，本地星际云（LIC）是一个延伸的、可能呈丝状的多孔结构，随环I超新星遗迹漂移，解释了观测到的铁（Fe）与镁（Mg）耗竭与紫外辐射场之间的相关性。利用IBEX和星光偏振数据，表明LIC的运动学与磁场方向与环I的几何结构一致，表明太阳位于该延伸结构的迎风边缘。

ABSTRACT

The properties of interstellar clouds near the Sun are ordered by the Loop I superbubble and by the interstellar radiation field. Comparisons of the kinematics and magnetic field of the interstellar gas flowing past the Sun, including the Local Interstellar Cloud (LIC), indicate a geometric relation between Loop I as defined by radio synchrotron emission, and the interstellar magnetic field that polarizes nearby starlight. Depletion of Fe and Mg onto dust grains in the LIC shows a surprising relation to the far ultraviolet interstellar radiation field that is best explained by a scenario for the LIC to be extended, possibly filamentary, porous material drifting through space with the Loop I superbubble. The interstellar velocity and magnetic field measured by the Interstellar Boundary Explorer (IBEX) help anchor our understanding of the physical properties of the nearby interstellar medium.

研究动机与目标

• 理解太阳附近大尺度星际介质（ISM）的空间与运动学组织结构。
• 探究本地星际云（LIC）中难熔元素耗竭（Fe、Mg）与远紫外（FUV）星际辐射场之间相关性的物理成因。
• 通过分析电离与辐射场梯度，确定LIC是致密云团还是延伸的多孔结构。
• 将星际云的运动学、星际磁场（ISMF）与环I超新星遗迹的形态联系起来。

提出的方法

• 分析附近恒星的高分辨率紫外与光学吸收线，以推导星际云的本地标准太阳系速度（LSR）和湍流展宽。
• 利用星际边界探测器（IBEX）对星际中性粒子流与磁场的测量结果，锚定日球层边界条件。
• 应用星光偏振数据以确定星际磁场（ISMF）的方向，并与环I的同步辐射发射图进行比较。
• 利用恒星位置与流量建模975 Å处的FUV辐射场，将其与LIC中观测到的Fe与Mg耗竭水平相关联。
• 将观测到的电离分数（H⁺/(H⁰ + H⁺)）与辐射场梯度进行比较，以推断LIC的空间范围。
• 使用环I超新星遗迹的流体动力学模型，检验其壳层几何结构是否能解释LIC-蓝云界面处的云碰撞与冲压压力。

实验结果

研究问题

• RQ1 本地星际云（LIC）是致密的高密度云团，还是随环I超新星遗迹漂移的延伸多孔结构？
• RQ2 是什么解释了LIC中难熔元素耗竭（Fe、Mg）与远紫外星际辐射场之间观测到的相关性？
• RQ3 附近星际云的运动学与星际磁场如何与环I超新星遗迹的几何结构对齐？
• RQ4 LIC-蓝云界面处观测到的冲压压力是否可由超音速流与延伸云形态解释？
• RQ5 为何在致密LIC模型预期之外的距离上仍能观测到耗竭-辐射效应？

主要发现

• 本地星际云（LIC）表现出铁（Fe）与镁（Mg）耗竭与远紫外（FUV）星际辐射场之间出人意料的相关性，这一现象最合理的解释是LIC为延伸的多孔结构，而非致密云团。
• 本地云系的总体LSR速度与环I S1壳层的几何中心夹角仅为14°±8°，表明LIC与超新星遗迹之间存在强烈的运动学关联。
• 由星光偏振推导出的星际磁场（ISMF）方向相对于总体LSR流方向为76°±21°，与ISMF锚定于环I结构的假设一致。
• LIC-蓝云界面处的冲压压力为1.28×10⁻¹² dyne cm⁻²，超过热压力（2.32×10⁻¹³ dyne cm⁻²），表明存在超音速激波前沿。
• 不同视线方向上LIC的电离度变化超过50%，与暴露于FUV辐射场梯度下的空间延伸结构一致。
• 银道坐标系第三和四象限（ℓ>180°）的恒星表现出更高的ISM温度，表明存在依赖于辐射场强度的冷却机制。