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?

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$

$$n^2\Lambda(n,T,x_i)-n\Gamma(n,T,x_i)\equiv n^2\mathcal{L}=0$$ $\Lambda$$\Gamma$$\mathcal{L}$$n$ $$\left(\frac{\partial\mathcal{L}}{\partial S}\right)<0$$ $S$ . 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).$\text{Eq } 4a,4b$

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.

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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.(∂

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

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

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