[论文解读] The Distribution of Pressures in a Supernova-Driven Interstellar Medium

Mordecai‐Mark Mac Low, Dinshaw S. Balsara+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2001

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 9

一句话总结

本文通过三维流体动力学与磁流体动力学模拟，研究了超新星驱动的星际介质中的压力分布，发现压力分布广泛且呈对数正态分布，其驱动力量为湍流而非热平衡。主要发现为：大部分气体处于非热平衡状态，其压力由激波和稀疏波动态决定，这挑战了多相星际介质模型中假设的等压相，并表明分子云形成于瞬态的、高压的湍流区域，而非通过引力约束。

ABSTRACT

Observations have suggested substantial departures from pressure equilibrium in the interstellar medium (ISM) in the plane of the Galaxy, even on scales under 50 pc. Nevertheless, multi-phase models of the ISM assume at least locally isobaric gas. The pressure then determines the density reached by gas cooling to stable thermal equilibrium. We use two different sets of numerical models of the ISM to examine the consequences of supernova driving for interstellar pressures. The first set of models is hydrodynamical, and uses adaptive mesh refinement to allow computation of a 1 x 1 x 20 kpc section of a stratified galactic disk. The second set of models is magnetohydrodynamical, using an independent code framework, and examines a 200 pc cubed periodic domain threaded by magnetic fields. Both of these models show broad pressure distributions with roughly log-normal functional forms produced by both shocks and rarefaction waves, rather than the power-law distributions predicted by previous work, with rather sharp thermal pressure gradients. The width of the distribution of the logs of pressure in gas with log T < 3.9 is proportional to the rms Mach number in that gas, while the distribution in hotter gas is broader, but not so broad as would be predicted by the Mach numbers in that gas. Individual parcels of gas reach widely varying points on the thermal equilibrium curve: no unique set of phases is found, but rather a dynamically-determined continuum of densities and temperatures. Furthermore, a substantial fraction of the gas remains entirely out of thermal equilibrium. Our results appear consistent with observations of interstellar pressures, and suggest that the pressures observed in molecular clouds may be due to ram pressure rather than gravitational confinement.

研究动机与目标

• 调查星际介质（ISM）是否如标准多相模型所假设的那样维持局部压力平衡。
• 确定在湍流和磁场存在下，超新星驱动的星际介质中压力的来源与分布。
• 评估热平衡相图在动态条件下预测星际介质结构的有效性。
• 评估观测到的星际介质压力变化是否可由动力学过程而非引力约束来解释。

提出的方法

• 使用自适应网格加密（AMR）进行数值模拟，以模拟具有超新星驱动的分层星系盘的1×1×20 kpc垂直剖面。
• 在(200 pc)³的周期性区域内进行磁流体动力学（MHD）模拟，包含强磁场和分布加热。
• 分析温度对数小于3.9的气体及更热组分的压力概率密度函数（PDFs）。
• 运用Passot & Vázquez-Semadeni（1998）的多相可压缩湍流理论，解释对数正态压力PDFs。
• 将模拟得到的压力分布与紫外及STIS吸收线观测数据进行比较。
• 通过追踪气体微元在湍流流场中的运动，评估热平衡与动态压力控制的相对作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 星际介质是否因超新星驱动的湍流而非热平衡而表现出广泛的压力分布？
• RQ2 激波和稀疏波在星际介质压力分布中所起的作用有多大？
• RQ3 在不同温度范围内，压力PDF的宽度如何随马赫数变化？
• RQ4 当压力由动力学控制时，热平衡相图能否准确预测星际介质结构？
• RQ5 分子云中观测到的高压是由于引力约束还是湍流流体的冲量压力所致？

主要发现

• 星际介质中的压力分布为宽广的对数正态分布，而非幂律分布，其对数压力分布的宽度与冷却气体（log T < 3.9）的均方根马赫数成正比。
• 更热的气体表现出比其马赫数预测更宽的压力分布，表明存在超出简单湍流标度的额外动力学控制机制。
• 大量气体仍处于非热平衡状态，其密度和温度远偏离热平衡曲线。
• 不存在唯一的相态集合；相反，观察到的是由动力学决定的密度与温度的连续分布。
• 唯一的等压区域是年轻超新星遗迹的内部，这些区域也是湍流介质中唯一的层流区域。
• 在无自引力作用下，分子云类密度与压力（可达平均星际介质压力的数倍）可瞬时形成于高压湍流区域，支持星形成云团的湍流起源。