[论文解读] The dynamical signature of the ISM in soft X-rays -- I. Diffuse soft X-rays from galaxies

D. Breitschwerdt, T. Schmutzler|arXiv (Cornell University)|Feb 18, 1999

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 10

一句话总结

本文提出了首个关于银河系盘面热等离子体喷流进入星系晕的自洽、动力学模型，表明非平衡电离效应会显著改变软X射线发射谱。研究证明，弥漫的软X射线背景辐射（0.3–1.5 keV）源于膨胀的、过压的等离子体中的谱线发射和延迟复合，挑战了以往基于碰撞电离平衡（CIE）的假设。

ABSTRACT

We present the first dynamically and thermally self-consistent calculations of fast adiabatically expanding gas flows from the Galactic disk into the halo. It is shown that in a hot plasma (T >= 10^6 K) with a high overpressure with respect to the ambient medium, the dynamical time scale is much shorter than the intrinsic time scales (e.g. for recombination, collisional excitation and ionization etc.). Therefore dynamical models that use collisional ionization equilibrium (CIE) cooling functions for the evolution of the plasma are in general not correct. In particular, the emission spectra obtained from non-equilibrium calculations are radically different. We describe a method to obtain self-consistent solutions using an iterative procedure. It is demonstrated that soft X-ray background emission between 0.3 and 1.5 keV can be well explained by a superposition of line emission and delayed recombination of an initially hot plasma streaming away from the Galactic disk (outflow and/or winds). In addition to these local winds we also present calculations on global winds from spiral galaxies, which originate from a hot and quiescent galactic corona. We also emphasize that it is dangerous to derive plasma temperatures merely from line ratios of ionized species, such as NV/OVI, unless the dynamical and thermal history of the plasma is known.

研究动机与目标

• 模拟热等离子体喷流从银河系盘面进入星系晕的动力学与热演化过程。
• 解决在模拟星际介质软X射线辐射时假设碰撞电离平衡（CIE）所带来的局限性。
• 通过自洽的非平衡等离子体计算，解释弥漫软X射线背景（0.3–1.5 keV）的起源。
• 证明标准的线比诊断方法（如NV/OVI）在缺乏对等离子体动力学与热历史了解的情况下不可靠。

提出的方法

• 开发了一种自洽的迭代方法，用于求解绝热膨胀流中随时间演化的等离子体。
• 使用流体动力学方程模拟银河系盘面到星系晕中快速、过压等离子体的膨胀。
• 通过将电离与复合 timescales 与动力学 timescale 相比较，纳入非平衡电离效应。
• 应用考虑非平衡条件的冷却函数，而非假设处于CIE状态。
• 同时模拟了局部盘面风与螺旋星系中星系晕驱动的全局风。
• 结合谱线发射与延迟复合过程，重现观测到的软X射线谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 非平衡电离效应如何改变星际介质中热等离子体喷流的预测软X射线发射？
• RQ2 为何基于CIE的标准模型无法再现0.3–1.5 keV范围内观测到的弥漫软X射线背景？
• RQ3 弥漫软X射线背景在多大程度上可由膨胀等离子体中谱线发射与延迟复合的叠加来解释？
• RQ4 在过压热等离子体流中，动力学 timescale 与热和电离 timescale 相比如何？
• RQ5 非平衡电离对通过离子谱线比（如NV/OVI）解释等离子体温度有何影响？

主要发现

• 在过压热等离子体（T ≥ 10^6 K）中，动力学 timescale 远短于热与电离 timescale，因此标准CIE假设不成立。
• 非平衡计算产生的发射谱与CIE模型相比有根本性差异，尤其在软X射线波段。
• 弥漫软X射线背景（0.3–1.5 keV）可被银河系盘面喷流中膨胀等离子体的谱线发射与延迟复合过程良好解释。
• 来自热、平静星系晕的全局风也可对软X射线背景有显著贡献。
• 若不了解完整的动力学与热历史，NV/OVI等谱线比不能作为等离子体温度的可靠指标。
• 迭代数值方法成功实现了具有非平衡电离的时变膨胀等离子体流的自洽求解。