早期宇宙原始气体污染的建模
星系天体物理
2015-06-16 v2 宇宙学与河外天体物理
摘要
我们对湍流中原始气体的污染进行了全面的理论和数值研究，旨在为模拟第一代恒星的演化提供新工具。此类第三星族 (Pop III) 恒星的性质被认为与后代恒星截然不同，因为在金属丰度低于临界值 Z_c 的气体中，冷却机制显著不同，该临界值介于约 10^-6 至 10^-3 太阳丰度之间。Z_c 远小于典型平均金属丰度 <Z>，因此原始气体在星际介质中的混合效率在从第三星族向正常恒星形成转变的过程中起着至关重要的作用。较小的临界值 Z_c 对应于金属丰度概率分布函数 (PDF) 的极左尾部。基于湍流混合 PDF 公式的闭合模型，我们推导了可压缩湍流中低于 Z_c 的气体分数 P 的方程。我们的模拟数据显示，分数 P 的演化可以很好地用广义自卷积模型近似，该模型预测 dP/dt = -n/tau_con P (1-P^(1/n))，其中 n 是衡量 PDF 卷积局部性的量，时间尺度 tau_con 由湍拉伸污染物的速率决定。利用一组马赫数范围从 M = 0.9 到 6.2 的模拟，我们提供了 n 和 tau_con 作为 M、Z_c/<Z> 以及污染物加入流动的尺度 L_p 的函数的精确拟合。对于 P>0.9，混合仅发生在污染物周围的区域，此时 n=1。对于较小的 P，随着混合变得更加全局化，n 变大。我们展示了如何利用这些结果构建单个高红移星系中第三星族恒星演化的单区模型，以及用于追踪大型宇宙学模拟中第一代恒星演化的亚网格模型。
引用
@article{arxiv.1306.4663,
title = {Modeling the Pollution of Pristine Gas in the Early Universe},
author = {Liubin Pan and Evan Scannapieco and John Scalo},
journal= {arXiv preprint arXiv:1306.4663},
year = {2015}
}
备注
37 pages, accepted by ApJ