The impact of turbulence on supernovae shockwaves

Abstract

The momentum and energy injection from supernovae is one of the main feedback modes, and is therefore key to the understanding of galaxy evolution and star formation. However, due to low resolution, large scale galaxy simulations often have issues with accurately modelling supernovae, and therefore rely on sub-grid models. This is especially true for the injected momentum, where capturing the momentum generating adiabatic phase of SNe, although important, is impossible to self-consistently model in large scale simulations. Previous studies have shown that the final momentum injected only has a weak dependence on the surrounding density, and that the detailed structure of the interstellar medium (ISM) is at large irrelevant when considering the momentum. However these studies lacked accurate modelling of the turbulence in the ISM, and instead resorted to static models, where the velocities of the gas were ignored.

In this work, we start by retrieving a known semi-analytic solution of the early and important adiabatic Sedov-Taylor stage, responsible for most of the momentum generation. This solution is then compared to a series of full hydrodynamical simulations using an adaptive mesh refinement code, called RAMSES, with varying mean density of the surrounding ISM. With the inclusion of atomic cooling, the evolutionary stages of supernovae remnants are recovered, with the final momentum $p$ found depending on the surrounding hydrogen density $n$ as $p\propto n^{-0.15}$, in agreement with previous studies.

We then adopt a model of turbulence by \cite{turb}, which was calibrated to produce power spectra, density and velocity distributions based on the conditions in giant molecular clouds (GMCs). With this model of the surrounding ISM, the geometry of the SNe shocks changes drastically, preferring channels of less dense gas, leaving higher density filaments mostly intact. However the evolution of momentum and energy of the system still follows the same trend as in the homogeneous case, reaching a similar peak momentum. The momentum was found to decrease with time, which is not predicted in the homogeneous case, but the decay appears to be on longer time scales. This reaffirms the previous results, stating that the detailed structure of the ISM only has a negligible effect on the momentum and energy of the early stages of SNe. Nevertheless, the SNe does show a tendency of generating outflows of low density gas rather than affecting the high density regions, which could have further impacts on SFR and galaxy evolution as a whole.

Popular Abstract (Swedish)

Supernovor är några de kraftfullaste händelserna vi ser bland stjärnor. När stjärnor, mycket mer massiva än vår egen, bränner upp sitt bränsle tynar de inte bara bort, utan exploderar i vad vi kallar en Typ II supernova. På motsatta sidan kan lättare stjärnor i sina sista tillstånd som vita dvärgar fånga upp för mycket massa och explodera som Typ I supernovor. Båda dessa fallen har en stor betydelse för utvecklingen av galaxer. Utan dem hade inga grundämnen tyngre än järn existerat i de mängderna vi ser, då majoriteten av dessa endast kan skapas i den extremt varma explosionen. Supernovor är också viktiga i att skjuta ut gas från galaxer genom att skapa massiva vindar. Utan dessa vindar skulle stjärnor födas för snabbt och förbruka gaserna i galaxer. Detta skulle innebära att galaxer inte hade haft tillräckligt med gas för att fortsätta föda stjärnor än idag.

I och med supernovors påverkan på universumet vi ser, är det intressant för astrofysiker att förstå hur dessa explosiva händelser utvecklas. Men supernovor, som med mycket inom astronomi, utvecklas under väldigt lång tid. Därav kan observationer endast ge en ögonblicks bild, vilket begränsar vår tillgång till fysiken bakom dem. Därav använder astrofysiker ofta sig av datormodeller för att fylla i bilden, med högupplösta simuleringar som kan återskapa en detaljrik bild av supernovor, liksom andra aspekter av astronomi.

Men när större skalor inom astrofysiken simuleras, så som galaxer, så kan inte dagens datorer komma upp i en tillräcklig upplösning för att simulera supernovor utan att simuleringen tar för lång tid. Därför används oftast vad som kallas "sub-grid modells", för att inkludera supernovor även om upplösningen inte kommer ner i dem skalorna. För att skapa dessa modeller har tidigare studier simulerat supernovor på mindre skalor för att se hur de utvecklas i olika medier. Dessa simuleringar har tagit hänsyn till den omgivande gasen runt stjärnor, och sett att bland annat energin och rörelsemängden påverkas av mängden av denna gas. Men dessa simuleringar har hittills inte inkluderat gasens rörelser, utan använt sig av en stillbild på hur den borde se ut. I verkligheten rör sig den interstellära gasen slumpmässigt, i vad som kallas turbulens, och den gör så supersoniskt, det vill säga snabbare än ljudets hastighet. Denna turbulens innebär inte bara att gaserna rör sig, utan även att det bildas tjockare och tunnare skikt-liknande strukturer, som man kan se i t.ex. rök. Eftersom hur gasens rörelser påverkan på supernovor inte har undersökts än, så vet vi ännu inte hur markanta de är.

Projektet som har gjorts till denna rapport har försökt simulera supernovor i ett mer realistisk, rörligt medium än vad som har gjorts tidigare. Med dessa simuleringar visar vi att trots att supernovorna får annorlunda former, så påverkas inte den slutgiltiga energin eller rörelsemängden markant. Vi visar även att eftersom explosionen föredrar att färdas genom tunnare gas, så kan enskilda supernovor trycka bort den tunnare gasen, medan de lämnar kvar den tjockare regionerna. Detta kan påverka hur mycket gas som en enskild supernova skjuter ut, och därmed hur effektiva de är på att reglera stjärnformation.

• author: Lönnblad Ohlin, Loke
• supervisor: Oscar Agertz
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20172
• year: 2018
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: astrophysics, astronomy, supernovae, shockwaves, interstellar medium, massive stars, turbulence, molecular clouds
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2018-EXA129
• language: English
• id: 8931895
• date added to LUP: 2018-01-12 10:03:36
• date last changed: 2018-01-12 10:03:36