[論文レビュー] 3D self-consistent N-body barred models of the Milky Way: II. Gas dynamics

R. Fux|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 1999

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 23

ひとこと要約

本研究では、ライブで非対称な星形成バー環境下でのガス力学をモデル化する、銀河のバー構造を3次元自己整合的N体SPHシミュレーションで行った。非対称なダストレーンとスパイラルアームがバーに起因するショック波前として特定され、HIおよびCO ℓ-V 図における主要な特徴――3-kpcアーム、カウンターアーム、Baniaのクラスター――は、ガスの塊がダストレーンショックに通過することで説明される。バーの傾きは25°±4°、コリレーション半径は4.0–4.5 kpcである。

ABSTRACT

The gas dynamics in the Galactic disc is modeled by releasing an initially axisymmetric SPH component in a completely self-consistent and symmetry-free 3D N-body simulation of the Milky Way in which the stellar components display a COBE-like bar. The density centre of the stellar bar wanders around the centre of mass and the resulting gas flow is asymmetric and non-stationary, reproducing the HI and CO l-V diagrams only at specific times and thus suggesting a transient nature of the observed inner gas kinematics. The best matching models allow a new and coherent interpretation of the main features standing out of the l-V data within the bar region. In particular, the l-V traces of the prominent offset dustlanes leading the bar major axis in early-type barred spirals can be unambiguously identified, and the 3-kpc arm and its non-symmetric galactocentric opposite counterarm are the inner prolongations of disc spiral arms passing round the bar and joining the dustlanes at very different galactocentric distances. Bania's clump 1 and 2, and another velocity-elongated feature near l= 5.5 deg, are interpreted as gas lumps crossing the dustlane shocks. The terminal velocity peaks near l=+/- 2.5 deg are produced by gas along the dustlanes and not by the trace of the cusped x1 orbit, which passes farther away from the Galactic centre. According to these models and to related geometrical constraints, the Galactic bar must have an inclination angle of 25+/-4 deg, a corotation radius of 4.0-4.5 kpc and a face-on axis ratio b/a=0.6.

研究の動機と目的

• 完全に自己整合的で対称性のない3次元N体シミュレーションを用いて、ライブスターバーを伴う銀河の内側領域におけるガス力学をモデル化すること。
• 非定常的かつ非対称なガス流れをシミュレートすることで、観測されたHIおよびCO ℓ-V 図における乖離（「禁止速度領域」）や非対称特徴といった、従来の矛盾を解消すること。
• 3-kpcアーム、カウンターアーム、Baniaのクラスターといった顕著な特徴の起源を、動的でショックに基づくフレームワーク内で解釈すること。
• 観測されたℓ-Vデータとの一致を用いて、バーの幾何学的パラメータ（特に傾き、コリレーション半径、正面軸比）を制約すること。
• 観測された速度-速度図におけるオフセットダストレーンおよびスパイラルアームのガス的痕跡を特定し、それらをショック構造および軌道力学と結びつけること。

提案手法

• 初期状態を軸対称に設定した3次元自己整合的N体シミュレーションを用い、COBEに類似したバーを形成するスターバーを再現すること。
• バー形成後に、初期的に軸対称な状態にあったスムーズ・パーティクル・ハイトロダイナミクス（SPH）ガス成分を導入し、ライブスターバーと自由に相互作用を起こすようにすること。
• 時間経過に伴うシステムの進化をシミュレートし、バーの先端におけるショックによって駆動される非定常的かつ非対称なガス流れを追跡すること。
• シミュレートされたℓ-V 図と観測されたHIおよびCOデータを比較し、一致するモデルを同定し、速度に延長された構造 や端点ピークといった特徴を解釈すること。
• スターバー密度中心の時間依存的挙動（重心の周りを約300 pcの振幅で振動）を用いて、時間変化するガス運動学をモデル化すること。
• ガス特徴とダストレーンおよびスパイラルアームに沿ったショック波前との空間的および運動学的整合性を分析し、解釈の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河の内側ℓ-V 図で観測される非対称的かつ非定常的なガス運動学的挙動、特に「禁止速度領域」における原因は何か？
• RQ2 オフセットダストレーンおよびそれに関連するショック波は、銀河バー領域における観測されたガス速度構造をどのように形作っているか？
• RQ3 3-kpcアームおよびその反対側のカウンターアームの起源は、スパイラルアームのダイナミクスおよびショックの伝播とどのように関係しているか？
• RQ4 Baniaのクラスターおよびその他の速度に延長された特徴は、ガスの塊がダストレーンショック波前を通過する際に生じる関係は何か？
• RQ5 観測されたガス運動学と一致するライブで自己整合的なバー・モデルの最適な力学的パラメータ（傾き、コリレーション半径、軸比）は何か？

主な発見

• 銀河の内側領域におけるガスの流れは、ライブスターバーの密度中心が約300 pcの振幅で振動するため、非定常的かつ非対称的である。その振動周波数は20–30 km s⁻¹ kpc⁻¹である。
• ℓ ≈ ±2.5°付近の端点ピークは、x₁軌道（銀河中心から離れており、速度振幅が小さい）ではなく、ダストレーンに沿ったショック波後のガスによって生成されている。
• 3-kpcアームおよびそのカウンターアームは、バーを回り込むディスクスパイラルアームの内側延長部であり、それぞれ約3.2 kpcおよび1.8 kpcの銀河中心距離でダストレーンに接続されている。
• バーの主要軸より前に進むオフセットダストレーンは、最大200 km s⁻¹の速度ジャンプを示す強力なショック波前であり、x₁軌道よりもバー主要軸に近い位置に位置している。
• Baniaのクラスター1は、135 km s⁻¹アームが反対側のダストレーンに約100 km s⁻¹の入射速度で衝突し、部分的吸収と部分的滑りが生じる状態として解釈される。
• バーの傾きは25°±4°、コリレーション半径は4.0–4.5 kpc、正面軸比はb/a ≈ 0.6と制約され、観測的および力学的制約と整合的である。