Por que não existem nuvens ISM com temperaturas entre 100 e 6.000K?

No meio interestelar, existem várias fases difusas do gás, diferenciadas por sua densidade e temperatura. Especificamente, o meio neutro frio tem temperaturas de ~ 50-100 K e o meio neutro quente varia de 6.000 a 10.000 K. Segundo meu professor, poucas nuvens de gás foram encontradas com temperaturas entre esses dois.

Alguém sabe por que existe uma lacuna tão grande?

temperature interstellar-medium

— Phiteros
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Relacionados: Quão frio é o espaço interestelar? e distribuições de densidade do meio interestelar .

— Pela

Seja , e a densidade numérica do hidrogênio, a temperatura do gás e , em que é a densidade numérica do componente do meio interestelar. Podemos então escrever os critérios para o equilíbrio térmico como onde e e as funções de aquecimento e resfriamento, respectivamente, e são definidas através dessas funções e . Se o equilíbrio for instável, para entropia $n$ $T$ $x_i$ $n_i/n$ $n_i$ $i$

n^{2} Λ (n, T, x_{i}) - n Γ (n, T, x_{i}) \equiv n^{2} L = 0

$n^2\Lambda(n,T,x_i)-n\Gamma(n,T,x_i)\equiv n^2\mathcal{L}=0$

Λ

$\Lambda$

Γ

$\Gamma$

L

$\mathcal{L}$

n

$n$

(\frac{\partial L}{\partial S}) < 0

$\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial S}\right)<0$

S

$S$ . Isso leva a diferentes condições de instabilidade, denominadas instabilidades isocóricas e isobáricas ( Field (1965) , ). Estes podem ser determinados a partir da temperatura, pressão e densidade do gás (também assumindo que o gás possa ser aproximado como um gás ideal).

Eq 4 a, 4 b

$\text{Eq } 4a,4b$

Em geral, e são complicados de determinar, embora combinações de lei da potência e fatores exponencialmente decadentes possam ser suficientes. Um exemplo de curva que parece aparecer muito como um exemplo foi calculado por Dalgarno & McCray (1972) , Figura 2: $\Lambda$ $\Gamma$

Medidas mais precisas foram feitas desde então, mas a forma geral ainda é aplicável. O meio neutro quente ocupa a área próxima à mudança acentuada em torno de e o meio neutro frio ocupa a área à esquerda do diagrama. Outra maneira de visualizar isso é em um diagrama como este ( desses slides , anotados por Wolfire et al. (1995) ): $\sim10,000\text{ K}$ $\log P/\log n$

Na realidade, o modelo de duas fases é uma simplificação excessiva e o ISM possui componentes mais distintos. No entanto, as instabilidades isocóricas / isobáricas ainda limitam a faixa na qual as nuvens podem existir em equilíbrios estáveis e explicam a escassez de gás na faixa de temperatura relevante.

Deixe-me elaborar os termos isobárico e isocórico . Em termodinâmica, às vezes é conveniente supor que algumas variáveis termodinâmicas permaneçam constantes em uma determinada situação. Processos isotérmicos ocorrem a temperatura constante; da mesma forma, processos isobáricos ocorrem a pressão constante e processos isocóricos ocorrem em volume constante.

As equações para as duas instabilidades são No primeiro, assumimos que a nuvem está em volume constante, e como a quantidade total de matéria no sistema é constante, a densidade (média) também deve ser constante. No segundo caso, assumimos que a nuvem está sob pressão constante. Perturbações que levam a instabilidades surgem assim de perturbações de outras variáveis termodinâmicas.

\begin{matrix} (Isochoric) & {(\frac{\partial L}{\partial T})}_{ρ} < 0 \end{matrix}

$\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial T}\right)_{\rho}<0\tag{Isochoric}$

\begin{matrix} (Isobaric) & {(\frac{\partial L}{\partial T})}_{p} = {(\frac{\partial L}{\partial T})}_{ρ} - \frac{ρ_{0}}{T_{0}} {(\frac{\partial L}{\partial ρ})}_{T} < 0 \end{matrix}

$\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial T}\right)_{p}=\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial T}\right)_{\rho}-\frac{\rho_0}{T_0}\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial\rho}\right)_T<0\tag{Isobaric}$

Como observação final da notação, significa que usamos a derivada parcial de com relação a , mantendo constante. É uma convenção termodinâmica comum.

{(\frac{\partial L}{\partial A})}_{B}

$\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial A}\right)_B$

L

$\mathcal{L}$

A

$A$

B

$B$

— HDE 226868
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Entendo que as nuvens não estão especificamente em equilíbrio. Esse cálculo é baseado apenas no pressuposto de que a escala de tempo é suficientemente longa para que possa ser considerada em equilíbrio?

— Phiteros

@ Phiteros Sim, é apenas um equilíbrio aproximado. As perturbações sempre aparecem, e podem mudar a temperatura da nuvem, mas você não verá mudanças em larga escala acontecerem repentinamente sem influência externa.

— HDE 226868

Boa pergunta, boa resposta, agora eu fiz uma pergunta de acompanhamento .

— uhoh