Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4899
Main Title: Numerical investigations on the link between the 60 Fe anomaly in a deep-sea ferromanganese crust and the formation of the Local Bubble
Translated Title: Numerische Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen der 60 Fe Anomalie in einer Tiefsee-Mangankruste und der Entstehung der Lokalen Blase
Author(s): Schulreich, Michael Mathias
Advisor(s): Breitschwerdt, Dieter
Referee(s): Breitschwerdt, Dieter
Dorfi, Ernst Anton
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Some time ago, an enhanced concentration of the radionuclide 60Fe was discovered in a deep-sea ferromanganese crust, isolated in layers dating from about 2.2 Myr ago. Since 60Fe (whose half-life is about 2.6 Myr) is not naturally produced on Earth, such an excess can only be attributed to extraterrestrial sources, particularly one or several nearby supernovae in the recent past. It has been speculated that these supernovae might have been involved in the formation of the Local Bubble, a soft X-ray emitting region in the local interstellar medium that is deficient of HI gas and houses our solar system. The aim of this thesis is to provide a quantitative evidence for this scenario. For that purpose we perform hydrodynamical adaptive mesh refinement simulations (with resolutions down to subparsec scale) of the Local Bubble and the neighboring Loop I superbubble in different environments, namely two homogeneous self-gravitating background media, and a medium designed to mimic more realistic conditions in the local Galaxy. The latter are achieved by exposing an initial interstellar gas distribution, derived from observations, for 180 Myr to the combined effects of the Galactic gravitational field, various heating and cooling processes, winds of massive stars (which are numerically treated as particles forming at Galactic rate in cold and dense interstellar clouds), and supernovae. Gas in the resulting Galactic disk expresses typical features of a compressible medium subject to supersonic explosion-driven turbulence, where also the thermal properties are found to be in satisfactory agreement with observations and predictions from similar models. For the modeling of the Local and Loop I superbubble, we take into account the time sequence and locations of the generating core-collapse supernova explosions, which are derived from the mass spectrum of the perished members of certain, carefully preselected stellar moving groups. The release of 60Fe and its subsequent turbulent mixing process inside the superbubble cavities is followed via so-called passive scalars, where the yields of the decaying radioisotope were adjusted according to recent stellar evolution calculations. All our models are able to reproduce both the timing and the intensity of the 60Fe excess observed with rather high precision. We however find that 60Fe (which is condensed on dust grains) can be delivered to Earth via two possible mechanisms: either through individual fast-paced supernova blast waves, which cross the Earth's orbit sometimes even twice as a result of reflection from the Local Bubble's outer shell, or, alternatively, through the supershell of the Local Bubble itself, injecting the 60Fe content of all previous supernovae at once, but over a longer time range. The extension of the Local Bubble as well as its gas-dynamical properties are best matched by observations in the model with the inhomogeneous background medium.
Vor einiger Zeit entdeckte man eine erhöhte Konzentration des Radionuklids 60Fe in einzelnen Schichten einer Eisen-Mangan-Kruste aus der Tiefsee, deren Alter auf 2.2 Myr datiert wurde. Da 60Fe (dessen Halbwertszeit etwa 2.6 Myr beträgt) nicht auf natürlichem Wege auf der Erde erzeugt wird, kann dieser Überschuss nur extraterrestrischen Quellen zugeschrieben werden, vorzugsweise einer oder mehreren nahegelegenen Supernovae in jüngster Vergangenheit. Es wird vermutet, dass diese Supernovae an der Bildung der Lokalen Blase (einer Region im lokalen interstellaren Medium, die weiche Röntgenstrahlung emittiert, kaum HI Gas enthält und unser Sonnensystem beherbergt) beteiligt gewesen sein könnten. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen quantitativen Nachweis für dieses Szenario zu erbringen. Dazu führen wir hydrodynamische Simulationen der Lokalen Blase und der benachbarten Loop I Superblase in verschiedenen Umgebungen durch, wobei adaptive Gitter verwendet werden deren Auflösung bis hinunter zur Subparsec Skala reicht. Im Speziellen untersuchen wir die Entwicklung in zwei homogenen, selbstgravitierenden Hintergrundmedien, sowie in einem Medium das darauf abzielt, realistischere Bedingungen in der lokalen Galaxis widerzuspiegeln. Letzteres erreichen wir, indem wir eine aus Beobachtungen abgeleitete Anfangsverteilung des interstellaren Gases für 180 Myr den gemeinsamen Einflüssen des galaktischen Gravitationsfeldes, verschiedener Heiz- und Kühlprozesse, Winden massereicher Sterne (welche numerisch als Teilchen behandelt werden, die sich der galaktischen Sternentstehungsrate folgend in kalten und dichten interstellaren Wolken bilden) und Supernovae aussetzen. Das Gas in der sich daraus ergebenden galaktischen Scheibe zeigt typische Eigenschaften eines kompressiblen Mediums, welches unter dem Einfluss von supersonischer explosionsgetriebener Turbulenz steht, wobei auch dessen thermische Eigenschaften hinreichend mit Beobachtungen und Vorhersagen ähnlicher Modelle übereinstimmen. Für die Modellierung der Lokalen und der Loop I Superblase berücksichtigen wir die zeitliche Aufeinanderfolge und Positionen der erzeugenden Kernkollaps-Supernovae, welche vom Massespektrum der "gestorbenen" Mitglieder bestimmter, sogfältig vorausgewählter Bewegungssternhaufen abgeleitet werden. Die Freisetzung von 60Fe, sowie dessen anschließender turbulenter Mischprozess im Inneren der Superblasen, wird mittels sogenannter passiver Skalare verfolgt, wobei die Ausbeute des radioaktiv zerfallenden Isotops an aktuelle Sternentwicklungsrechnungen angepasst wurde. Alle unsere Modelle sind in der Lage mit recht hoher Genauigkeit sowohl Timing als auch Intensität des beobachteten 60Fe Überschusses zu reproduzieren. Wir finden allerdings, dass 60Fe (welches an Staubkörnern kondensiert ist) mittels zweier möglicher Mechanismen zur Erde gelangen kann: Entweder durch einzelne schnelle Supernova-Detonationswellen, die die Umlaufbahn der Erde manchmal sogar zweimal kreuzen, sofern sie an der äußeren Schale der Lokalen Blase reflektiert wurden, oder, alternativ, durch die Superschale der Lokalen Blase selbst, die den 60Fe Gehalt aller früheren Supernovae auf einmal, allerdings über einen längeren Zeitbereich, einspeist. Die Ausdehnung der Lokalen Blase, sowie deren gasdynamische Eigenschaften stimmen am besten mit Beobachtungen überein, sofern man das Modell mit inhomogenem Hintergrundmedium heranzieht.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5202
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4899
Exam Date: 27-Nov-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 14-Dec-2015
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::520 Astronomie::520 Astronomie und zugeordnete Wissenschaften
DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::533 Gasmechanik
Subject(s): Local Bubble
60Fe
deep-sea ferromanganese crust
interstellar medium
turbulence
Lokale Blase
Tiefsee-Mangankruste
interstellares Medium
Turbulenz
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