The hydrodynamics of a supernova shock in the interstellar medium

Osservatorio Astronomico di Bologna, via Zamboni 33, 40126 Bologna, Italy

Abstract

The interactions of a supernova blast wave with the inhomogeneities of the interstellar medium have been observed both in the young supernova remnants, with ages ∼ 102 yr, and in the middle-aged supernova remnants older than ∼ 104 yr. Low mass supernovae produce remnants interacting with an interstellar medium unaffected by the progenitor star, in which the density inhomogeneities mainly appear in the form of clouds. The encounter of the supernova shock with a cloud affects the propagation of the main shock and compresses and accelerates the cloud itself. In the adiabatic approximation, the cloud embedded by the blast wave becomes hydrodynamically unstable under the action of Rayleigh-Taylor and Kelvin-Helmoltz instabilities, adding mass to the intercloud medium. The thermal evaporation and radiative cooling further contribute to the energy and mass exchange between the cloud and the interstellar medium. Massive stars, such as progenitors of the supernovae, reprocess the interstellar medium, either ionizing the interstellar gas or by adding mass and kinetic energy via stellar winds. The supernova shock will move in a stratified medium and the remnant may be "muffled" by the circumstellar material disposed around the progenitor. Here we shall review the results of two-dimensional numerical hydrodynamics both in a cloudy and in a stratified medium comparing them with the observations in optical and X-ray bands for young (CAS-A) and evolved remnants (Cygnus Loop).

Résumé

Les interactions d'une onde de choc [blast wave] de supernova avec les inhomogénéité du milieu interstellaire ont été observées à la fois dans les résidus récents de supernova, d'environ 102 ans, et dans les résidus d'âge moyen, datant de plus de ∼104 ans. Les supernovae de petite masse générent des résidus qui interagissent avec un milieu interstellaire qui n'est pas affecté par l'étoile génératrice, dans laquelle les inhomogénéités en densité apparaissent principalement sous forme de nuages. La rencontre du choc d'une supernova avec un nuage affecte la propagation du choc principal, comprime et accélère le nuage lui-même. Dans l'approximation adiabatique, le nuage enveloppé par l'onde de choc devient hydrodynamiquement instable sous l'action des instabilités de Rayleigh-Thylor et Kelvin-Helmoltz, en ajoutant de la masse au milieu internuage. L'évaporation thermique et le refroidissement radiatif donnent une contribution ultérieure à l'échange d'énergie et de masse entre le nuage et le milieu interstellaire. Les étoiles massives, comme les générateurs de supernovae, régénèrent le milieu interstellaire, en ionisant le gaz interstellaire ou en ajoutant de la masse et de l'énergie cinétique par l'intermédiaire des vents stellaires. Le choc de supernova se propagera dans un milieu stratifié et le résidu peut être "emmitouflé" dans la matière circumstellaire disposée autour du générateur. Ici nous passerons en revue les résultats de l'hydrodynamique numérique à deux dimensions, dans un milieu soit nuageux soit stratifié, en les comparant avec les observations dans les bandes optiques et X pour les résidus jeunes (CAS-A) et évolués (Cygnus Loop).