Simulations of superbubbles in a shearing, stratified and structured interstellar medium

Romano, Leonard (2025): Simulations of superbubbles in a shearing, stratified and structured interstellar medium. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Supernovae (SNe) gehören zu den energetischsten Ereignissen im Universum. Sie injizieren enorme Mengen an Energie und angereichertem Material in das interstellare Medium (ISM). Supernova Überreste (SNRs), die Asche der SN Explosionen, prägen die Multiphasen-Struktur des ISM, den Antrieb von Turbulenz, die Regulierung der Sternentstehung und die Entstehung galaktischer Ausflüsse. Trotz ihrer enormen Bedeutung für das ISM sind viele Aspekte ihrer langfristigen Entwicklung und ihrer Wechselwirkung mit der galaktischen Umgebung, insbesondere in einem strukturierten ISM, noch unklar. Diese Arbeit ist der detaillierten Untersuchung der Dynamik von SNRs in komplexen Umgebungen gewidmet. Zunächst stelle ich ein ein neues analytisches Modell basierend auf den Dünnschalen- und Sektoren-Näherungen vor, das die Expansion von SNRs in nicht-uniformen, zeitabhängigen Umgebungen beschreibt. Es berücksichtigt Gravitation, differentielle Rotation sowie Kühlung, reproduziert bekannte Grenzfälle und dient als Grundlage für komplexere Szenarien. Anhand dieses Modells untersuche ich, wie Stratifizierung, Rotation und galaktische Substrukturen die Dynamik von SNRs beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass Gravitation die Fähigkeit von SNe, Ausflüsse zu erzeugen, stark einschränkt, sofern keine ausreichende Energieinjektion erfolgt. Galaktische Scherung und Substruktur deformieren große SNRs und führen zu einer asymptotischen Expansionsgeschwindigkeit von vergleichbarer Größenordung zur Geschwindigkeitsdispersion. Diese Erkenntnisse ermöglichen eine physikalisch fundierte Interpretation der Dynamik von SNRs und galaktischer Winde. Ergänzend führe ich numerische Simulationen isolierter SNRs in einer homogenen Umgebung durch, mit Fokus auf die wenig verstandene Verschmelzungsphase. Ich charakterisiere den Zustand unmittelbar vor und während dieser Phase, der die Entstehung einer stark kühlenden, rücklaufenden Implosionswelle begünstigt. Diese füllt das zuvor evakuierte Innere auf und führt zur Kondensation einer zentralen Wolke. Ich untersuche, ob solche SN-Implosionswolken Sterne bilden können, und bestimme ihre Sternentstehungseffizienz. Diese Ergebnisse schließen die Entwicklungssequenz von SNRs ab und suggerieren einen neuen Entstehungsmechanismus für besonders metallreiche Sterne. Den Höhepunkt bildet das SISSI-Projekt (Supernovae In a Stratified, Shearing Interstellar medium), in dem ich SNRs innerhalb des stratifizierten, gescherten und strukturierten ISM einer simulierten, isolierten Galaxie untersuche. Die Simulationen zeigen, wie stark Dynamik und Geometrie von SNRs vom Zusammenspiel mit der galaktischen Umgebung geprägt sind. Abschließend wende ich diese Ergebnisse auf die Lokale Blase an und ermittle ein signifikant jüngeres Alter als bisher angenommen wurde. Diese Arbeit vertieft unser Verständnis darüber, wie SNe das ISM strukturieren. Durch die Verbindung analytischer Theorie, numerischer Modellierung und astrophysikalischer Beobachtungen liefert sie einen umfassenden Rahmen zur Interpretation von SNRs in komplexen galaktischen Umgebungen.

Abstract

Supernovae (SNe) are among the most energetic events in the Universe, injecting vast amounts of energy and enriched material into the interstellar medium (ISM). Their ashes, usually referred to as supernova remnants (SNRs) or superbubbles (SBs) in the case SNRs powered by the clustered explosions of many stars, play a central role in shaping the multiphase structure of the ISM, driving turbulence, regulating star formation, and contributing to galactic outflows. Despite their importance, many aspects of their long-term evolution and interaction with their galactic environment remain poorly understood, particularly in the context of a realistic, structured ISM. In this thesis, I explore the dynamical evolution of SNRs across a range of scales and physical conditions. I begin by developing a novel one-zone blastwave model, based on the thin-shell and sector approximations, that is designed to capture the expansion of SNRs in non-uniform, time-dependent environments, including the effects of gravity, shear induced by differential rotation, and cooling. This model reproduces known analytic limits and serves as a foundation for exploring more complex configurations. I apply the model to stratified, rotating, and structured galactic environments, quantifying how these factors alter the dynamics of SNRs. The results demonstrate how gravity limits the ability of SNe to drive outflows unless a sufficient level of energy injection is sustained. Galactic shear and substructure deform large-scale bubbles and asymptotically set a characteristic expansion velocity tied to the ambient velocity dispersion. These insights provide a physically motivated framework to interpret and constrain SB growth and outflow conditions in realistic galactic settings. Complementing the analytic work, I perform a suite of numerical simulations of isolated SNRs in uniform media, focusing on the poorly understood merging phase. I characterize the physical conditions within SNRs shortly before and during the merging phase, which favor the formation of an implosion wave, a rapidly-cooling, reverse shock-wave that refills the previously evacuated interior and leads to the condensation of a central cloud. Based on these results, I propose that such a SN-implosion driven cloud may form stars and predict the associated star-formation efficiency. These results offer closure to the overall story of SN evolution and provide a new attractive pathway for the formation of the most metal-rich stars. My thesis reaches its climax with the introduction of the SISSI (Supernovae In a Stratified, Shearing Interstellar medium) project, in which I simulate the evolution of SNRs embedded within the stratified, shearing, and structured ISM of a simulated, isolated galaxy. SISSI reveals how the dynamics and geometry of SNRs are affected by their complex interplay with a realistic galactic environment. Finally, I apply these findings to the Local Bubble, reevaluating its formation history, with the surprising result that it should be significantly younger than previously believed. Together, these studies advance our understanding of how SNe structure the ISM. By bridging analytic theory, numerical modeling, and astronomical observations, this work provides a comprehensive framework for the interpretation of SNRs in complex galactic environments.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: ISM bubbles, ISM structure, local insterstellar matter, solar neighborhood, methods: numerical
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 27. August 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Burkert, Andreas