Astrophysics of the Interstellar Medium

1 Fundamental Equations for Ideal Fluids ......................... 1
1.1 Introduction: Fluids as Continuous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Volume Forces and Surface Forces. Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Equation of Motion (Euler Equation) for Ideal Fluids . . . . . . . . . 11
1.5 Conservation of Total Energy and Thermal Energy . . . . . . . . . . . 12
· · · · · · (更多)

1 Fundamental Equations for Ideal Fluids ......................... 1
1.1 Introduction: Fluids as Continuous Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Continuity Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Volume Forces and Surface Forces. Stresses . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Equation of Motion (Euler Equation) for Ideal Fluids . . . . . . . . . 11
1.5 Conservation of Total Energy and Thermal Energy . . . . . . . . . . . 12
1.6 Vorticity in Ideal Fluids. Potential Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7 Numerical Solutions of Hydrodynamical Equations . . . . . . . . . . 18
1.8 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2 Acoustic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.1 Acoustic Waves in an Ideal Fluid at Rest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2 Velocity of Propagation in a Dispersive Medium . . . . . . . . . . . . . 25
2.3 Acoustic Waves in a Patchy Medium at Rest . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Acoustic Waves in a Gravity-Dominated Medium . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Virial Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6 Gravitational Collapse of a Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.7 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 Real Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1 Transport Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Thermal Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Internal Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Navier–Stokes Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 Energy Dissipation by Internal Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.6 Energy Balance in a Real Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.7 Integration of Equations for a Real Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.8 Case of Fluid with Low Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.9 Similar Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.10 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
vii
viii Contents
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4 The Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.1 Thermal Balance of Interstellar Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.2 Thermodynamic State of Interstellar Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 Cooling Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Heating Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.5 Thermal Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.6 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 Shock Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.1 Supersonic Motion and Discontinuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Jump Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.3 Shock Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.4 Rankine–Hugoniot Conditions for an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . 93
5.5 Shock Waves in the Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.6 Isothermal Shock: Schematic Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.7 Structure of the Relaxation Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.8 Observability of Radiative Shocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.9 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6 Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.1 Experimental Aspects of Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 Stability of Stationary Motion and Turbulence Onset . . . . . . . . . 112
6.3 Notes on the Statistical Description of Turbulence . . . . . . . . . . . 117
6.4 General Characteristics of Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.5 Kolmogorov’s Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.6 Turbulence of the Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.7 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
7 Electrodynamics and Magnetohydrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.1 Plasmas. Debye Screening Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
7.2 Plasma Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
7.3 A Note on Systems of Measurement Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7.4 Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.5 Magnetic Field Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.6 Freezing of the Magnetic Field Lines of Force . . . . . . . . . . . . . . . 146
7.7 The Galactic Magnetic Field: Origin and Methods
of Measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.8 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Contents ix
8 Motion of a Plasma in a Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.1 Expressions of Magnetic Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
8.2 Fundamental Equations of Magnetohydrodynamics . . . . . . . . . . 159
8.3 Motion of a Plasma with Respect to Magnetic Lines
of Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
8.4 Virial Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
8.5 Application of the Virial Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
8.6 Ambipolar Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
8.7 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
9 Magnetohydrodynamic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.1 Classification of MHD Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
9.2 Alfven Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
9.3 MHD Waves: General Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.4 MHD Waves with Generic Propagation Direction . . . . . . . . . . . . 186
9.5 Waves with Particular Direction of Propagation . . . . . . . . . . . . . . 188
9.6 Alfven Waves Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
9.7 Excitation of MHD Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
9.8 Magnetohydrodynamic Shock Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
9.9 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
10 Dust from the Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
10.2 The Extinction of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
10.3 Observational Determination of Stellar Extinction . . . . . . . . . . . 210
10.4 The Extinction Curve of the Diffuse Medium in the Galaxy . . . 211
10.5 Methods for Determining RV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
10.6 The Equilibrium Temperature of the Grains . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
10.7 The Temperature of the Small Grains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
10.8 IR Emission of Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
10.9 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
11 HII Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
11.2 Ionisation Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
11.3 Energy Balance and Temperature of an HII Region . . . . . . . . . . . 228
11.4 The Strömgren Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
11.5 Effect of Dust on the HII Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
11.6 Evolution of the HII Region in a Homogeneous Medium . . . . . . 235
11.7 Classification of Ionization Fronts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
11.8 HII Region Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
11.9 End of Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
11.10 Expansion of an HII Region in an In-Homogeneous
Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
x Contents
11.11 Radio Frequency Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
11.12 Infrared Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
11.13 Calculation of the Lines of the Balmer Series . . . . . . . . . . . . . . . . 250
11.14 HII Regions Excited by a Cluster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
11.15 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
12 Stellar Winds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
12.2 Classification of Winds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
12.3 Structure and Evolution of a Bubble Produced by a Strong
Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
12.4 A Simplified Model for the Radiative Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
12.5 Evolution in Phase D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
12.6 Observations of the Bubbles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
12.7 Evolution of the Bubble in an In-Homogeneous Medium . . . . . . 269
12.8 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Appendices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
13 Supernovae Remnants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
13.1 Supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
13.2 SNR Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
13.2.1 Expansion End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
13.3 Expansion of a SNR in a Patchy Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
13.3.1 Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
13.3.2 Relativistic Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
13.3.3 Spherical Symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
13.4 Models of Evolution in a Patchy Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
13.5 Effects of a SNR on the Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . 292
13.6 Superbubbles and Supershells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
13.7 Description of some SNRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
13.8 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
14 The Interstellar Medium and Its Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
14.1 The Structure of the Interstellar Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
14.2 Neutral Gas Diagnostic Techniques: The Line at 21 cm . . . . . . . 301
14.3 The Spiral Structure of the Milky Way . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
14.4 Ionized Gas Diagnostic Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
14.4.1 Dispersion of Pulsar Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
14.4.2 Recombination Optical Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
14.4.3 Absorption at Low Radio Frequencies . . . . . . . . . . . . . . 310
14.5 The Hot Component: Coronal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
14.6 The Cold Neutral Component: The Clouds of HI. . . . . . . . . . . . . 312
14.7 The Warm Neutral Component . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Contents xi
14.8 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
15 Molecular Clouds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
15.1 Detection of Molecular Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
15.2 Correlation Between CO Emission and Molecular Gas
Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
15.3 The Distribution of H2 in the Galaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
15.4 Distribution of H2 in Other Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
15.5 Clouds Classification and Statistical Properties . . . . . . . . . . . . . . 325
15.6 Mechanical Equilibrium of Molecular Clouds . . . . . . . . . . . . . . . 328
15.7 Why the Clouds Where Stars Form Are Molecular? . . . . . . . . . . 332
15.8 Mechanisms of Molecular Cloud Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
15.8.1 Formation of Clouds by the Compression
of Ambient Gas Induced by Shock Waves . . . . . . . . . . . 334
15.8.2 Cloud Formation by Agglomeration of Smaller
Clouds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
15.8.3 Cloud Formation Through Medium Instability . . . . . . . 336
15.8.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
15.9 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
16 Star Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
16.1 Observational Data Related to Star Formation . . . . . . . . . . . . . . . 341
16.2 Star Formation in the Presence of a Magnetic Field . . . . . . . . . . . 346
16.3 The formation of Low-Mass Stars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
16.4 Low-Mass Star Formation Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
16.5 Observational Findings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
16.6 Synthetic Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
· · · · · · (收起)