[論文レビュー] A family of models of partially relaxed stellar systems II. Comparison with the products of collisionless collapse

Michele Trenti, G. Bertin+1 more|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Nov 18, 2004

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 31被引用数 32

ひとこと要約

本稿では、衝突なしの崩壊のN体シミュレーションと、部分的に緩和された星系系を記述することを目的とした解析的モデル族（f^(ν)）との詳細な比較を提示する。f^(ν)モデルが、特に位相空間にクラスタ構造を含む初期条件のもとで、シミュレートされた密度、非等方性、および位相空間構造を正確に再現することを示しており、これは、モデルが崩壊の最終生成物を高い忠実度で再現できることを確認している。特に、径方向軌道不安定性の臨界状態に近い条件でも同様である。

ABSTRACT

[Abridged] N-body simulations of collisionless collapse have offered important clues to the construction of realistic stellar dynamical models of elliptical galaxies. Understanding this idealized and relatively simple process, by which stellar systems can reach partially relaxed equilibrium configurations (characterized by isotropic central regions and radially anisotropic envelopes), is a prerequisite to more ambitious attempts at constructing physically justified models of elliptical galaxies in which the problem of galaxy formation is set in the generally accepted cosmological context of hierarchical clustering. In a previous paper, we have discussed the dynamical properties of a family of models of partially relaxed stellar systems (the f^{(ν)} models), designed to incorporate the qualitative properties of the products of collisionless collapse at small and at large radii. Here we revisit the problem of incomplete violent relaxation, by making a direct comparison between the detailed properties of such family of models and those of the products of collisionless collapse found in N-body simulations that we have run for the purpose. Surprisingly, the models thus identified are able to match the simulated density distributions over nine orders of magnitude and also to provide an excellent fit to the anisotropy profiles and a good representation of the overall structure in phase space.

研究の動機と目的

• 衝突なしの崩壊によって形成される系の構造的および運動論的性質を、第3の量Qの近似的保存に基づくf^(ν)モデル族が定量的に再現できるかどうかを検証すること。
• 単一粒子の角運動量の効率的混合を可能にする初期位相空間のクラスタ構造の役割が、激しい緩和にどのように寄与するかを調査すること。
• 崩壊過程における量Qの数値的保存性と、モデルの予測力への関連性を評価すること。
• 崩壊の最終生成物が、径方向軌道不安定性の臨界状態に近い非等方性レベルを示すかどうかを特定すること。
• 宇宙論的文脈で楕円銀河をモデル化するために用いることを見越した、理想化されたシミュレーションとf^(ν)モデルとの定量的ブリッジを確立すること。

提案手法

• 初期条件に一様（U型）およびクラスタ構造（C1–C4.5）を含むさまざまな設定で、衝突なしの崩壊に関する広範なN体シミュレーションを実施する。
• 6次元位相空間のクラスタ構造を評価する指標として、cl = ⟨ρ_local^(6)⟩ / ⟨ρ^(6)⟩ を用い、全粒子数のおよそ1/250を含む固定された局所球半径rsを設定する。
• 密度プロファイル、非等方性プロファイル、および全体的な位相空間構造を比較することで、最終的なシミュレートされた系とf^(ν)モデルとの一致を検証する。
• 特に異なる初期バイナル比uにおけるQの時間的変化を追跡し、崩壊過程におけるQの近似的保存性を検証する。
• 位置空間および速度空間における初期のクラスタ構造度合いが、混合効率および最終的な平衡構造に与える影響を分析する。
• 数値積分にツリー法を用い、Dehnen (2000) などの既知のベンチマークと照合して結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 f^(ν)モデル族は、N体シミュレーションによる衝突なしの崩壊で形成された系の密度プロファイルおよび非等方性プロファイルを定量的に再現できるか？
• RQ2 初期位相空間のクラスタ構造は、衝突なしの崩壊における角運動量の効率的混合および平衡状態への到達にどのような役割を果たすか？
• RQ3 エネルギーおよび質量に加えて第3の保存量Qとして導入された量Qは、崩壊過程で近似的に保存されるか？
• RQ4 崩壊の最終生成物は、径方向軌道不安定性の臨界状態に近い非等方性レベルを示すか？
• RQ5 初期条件、特にクラスタの数やサイズは、シミュレートされた系の最終的構造的および運動論的性質にどのように影響するか？

主な発見

• f^(ν)モデルは、半径の9桁にわたる範囲で、シミュレートされた密度プロファイルを非常に良好に再現している。
• モデルは、非等方性プロファイルについても高い精度で一致しており、これはf^(ν)族がハロー部における径方向非等方性とコア部における等方性を的確に捉えていることを示している。
• シミュレーションの最終生成物と最良のf^(ν)モデルの両方とも、径方向軌道不安定性の臨界状態に近いグローバルな非等方性パラメータを示している。
• 特に速度空間における初期の位相空間クラスタ構造が、単一粒子の角運動量の効率的混合を可能にし、f^(ν)モデルと整合する状態に至るための鍵となる。
• クラスタ構造指標clは、クラスタ構造のある初期条件（例：C4.4は10個の小さなクラスタ）ではξ = 1/250でcl ≈ 300を示す一方、一様な条件ではcl ≈ 0.72となることから、不均一性の重要性が裏付けられている。
• 大きな崩壊要因（u ≈ 0.1–0.3）を有するシミュレーションにおいて、量Qは時間経過とともに近似的に保存されており、これはf^(ν)モデル構築におけるQの中心的役割を支持する。