恒星星风吹泡与光电离气体的协同演化 I：物理原理与半解析模型

我们提出了一个关于大质量恒星星风与电离辐射同时反馈的新框架，区分了受力位置，以及其对整个反馈气泡（FB）内部时空演化的影响。我们通过星风吹泡（WBB）与光电离区（PIR）达到压力平衡时的半径 $R_{\rm eq}$ 与 Str"{o}mgren 半径 $R_{\rm St}$ 之比，来量化 WBB 与 PIR 的相对动力学重要性。$\zeta \equiv R_{\rm eq}/R_{\rm St}$ 量化了 WBB（$\zeta > 1$）或 PIR（$\zeta < 1$）的动力学主导地位。我们计算了 $\zeta$ 并发现，对于动量驱动的星风，在以下恒星形成区的环境中 $0.1 \lesssim \zeta \lesssim 1$： 典型的类银河系巨分子云， 单颗最高质量的 OB 星， 以及早期宇宙中典型的致密、低金属丰度环境。在此区间内，WBB 与 PIR 对 FB 的膨胀均具有动力学重要性。我们开发了一个半解析协同演化模型（CEM），考虑了力的空间分布以及 WBB 和 PIR 的反作用。在 CEM 最适用的 $\zeta < 1$ 区间，该模型预测的总 FB 动量与朴素预测相比差异最高可达 25%。在适用于单颗 OB 星或低质量星团的弱风极限 $\zeta \ll 1$ 下，CEM 给出的 WBB 性质存在 $\gtrsim 2$ 倍的差异。在配套论文中，我们将这些模型与三维湍流流体动力学模拟进行了比较。