[论文解读] Sturm und Drang: Supernova-Driven Turbulence, Magnetic Fields, and Cosmic Rays in the Chaotic Starburst Interstellar Medium

Brian C. Lacki|arXiv (Cornell University)|Aug 23, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 8被引用 8

一句话总结

本文提出，超新星驱动的湍流通过涨落发电机机制放大磁场，使星暴星系中磁场能量与湍流能量达到能量均分。由于星际介质各相态中超新星能量高效地传递至湍流，该机制预测了极强的磁场——在阿尔普220中可达2 mG，对宇宙射线约束和射电偏振、X射线谱线展宽等观测特征具有重要意义。

ABSTRACT

Frequent supernova explosions in compact starburst regions are a main shaper of these regions' interstellar media (ISM). In most starbursts, the supernova remnants blast open a hot phase that fills the regions and launches a superwind. Denser starbursts are too overpressured for hot wind formation, but supernovae still stir up the ISM. I argue that supernovae power ubiquitous turbulence through each of the starburst ISM phases, including the hot wind, and that a fluctuation dynamo amplifies magnetic fields until they are in equipartition with the turbulence. Supernovae can drive turbulence with speeds of ~1000 km/s in the hot wind and ~20 km/s in the cold molecular gas, depending on the outer scale. I predict magnetic field strengths of 70 muG in the Galactic Center starburst, 300 muG in M82 and NGC 253, and 2 mG in Arp 220's nuclei. The mean magnetic field strengths are a few times stronger in molecular gas than in hot winds, but do not vary strongly with density within a starburst. I explain how the dominance of supernova-driven turbulence leads to near equipartition between the components of starburst ISM. I also consider implications for cosmic ray (CR) diffusion in starbursts. The high amounts of power cascading to small scales could confine CRs very effectively in starbursts, so much that CR transport is dominated by the flow of gas rather than diffusion through the gas. In addition, I discuss the effects of turbulence on X-ray line width, the far-infrared--radio correlation, observed radio polarization, and Faraday rotation measures. Finally, I discuss the many questions raised regarding the physics of turbulence in starbursts.

研究动机与目标

• 解释超新星爆发如何在星暴星系的星际介质（ISM）所有相态中，包括高温喷流和冷分子气体中，驱动湍流。
• 研究涨落发电机在高密度、高压星暴环境中将磁场放大至与湍流能量均分水平的作用。
• 基于超新星能量输入和湍流标度关系，量化银河系中心、M82、NGC 253和阿尔普220等极端星暴中的磁场强度。
• 探讨湍流对宇宙射线扩散的影响，提出在星暴中物质输运主要由气流主导而非扩散。
• 将观测约束（如X射线光度和FIR-射电相关性）与紧凑星暴中超级喷流的存在性相协调。

提出的方法

• 利用超新星能量注入率和湍流标度关系，估算高温喷流和冷分子相中的湍流速度弥散度。
• 应用涨落发电机理论建模磁场放大，假设湍流与磁场能量达到能量均分。
• 通过热气体自由-自由辐射计算估算X射线光度，并与观测的X射线-恒星形成率相关性进行比较。
• 利用能量均分条件推导磁场强度：$ B^2/8\pi \sim \rho v^2/2 $，其中$ v $由超新星能量沉积得出。
• 分析射电偏振、法拉第旋转测量和X射线谱线展宽等观测诊断手段，以检验理论预测。
• 将理论预测与观测X射线光度及FIR-射电相关性进行比较，评估紧凑ULIRG中超级喷流的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 超新星在多大程度上驱动了星暴星际介质所有相态（包括高温喷流和冷分子气体）中的湍流？
• RQ2 在高密度、高压的星暴环境中，涨落发电机能否将磁场放大至与湍流能量均分的水平？
• RQ3 在阿尔普220、M82和银河系中心等极端星暴中，预测的磁场强度是多少？其在不同星际介质相态中的变化如何？
• RQ4 湍流主导的输运如何影响星暴中宇宙射线的约束？这对宇宙射线扩散与平流的相对重要性有何启示？
• RQ5 观测到的X射线光度和FIR-射电相关性是否与紧凑、高表面密度星暴中的超级喷流存在一致？

主要发现

• 超新星在高温喷流中驱动的湍流速度约为~1000 km s⁻¹，在冷分子气体中约为~20 km s⁻¹，具体取决于湍流的外尺度。
• 通过涨落发电机机制，磁场被放大至与湍流能量均分，达到：银河系中心约70 μG，M82和NGC 253约300 μG，阿尔普220核区最高达2 mG。
• 分子气体中的平均磁场强度比高温喷流中强几倍，但在星暴内部，其强度不随密度发生显著变化。
• 超新星驱动的湍流占主导地位，使星暴星际介质中湍流、磁场和热能组分近乎达到能量均分。
• 湍流中能量向小尺度的强级联导致宇宙射线被强烈约束，使得宇宙射线输运主要由气体流动主导，而非扩散。
• X射线观测与M82中存在超级喷流一致，但在阿尔普220等紧凑ULIRG中存在张力：X射线暗弱及康普顿厚化使得喷流中自由-自由辐射的探测变得复杂。