[論文レビュー] A new Monte Carlo code for star cluster simulations: II. Central black hole and stellar collisions

Marc Freitag, W. Benz|ArXiv.org|Apr 17, 2002

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 149被引用数 50

ひとこと要約

本論文では、密度の高い銀河核のシミュレーションを可能にする新しいモンテカルロコードを提示している。このコードは、中心に成長するブラックホールと、10,000回のSPHベースの衝突シミュレーションを用いた現実的な星の衝突を組み込んでいる。このコードにより、標準的なPC上で100万粒子、ハッブル時間スケールのシミュレーションが可能となり、潮汐破壊、衝突駆動型質量移動、星の進化を正確にモデル化し、銀河中心部におけるブラックホールの成長と特異な星の集団の形成を研究できる。

ABSTRACT

We have recently written a new code to simulate the long term evolution of spherical clusters of stars. It is based on the pioneering Monte Carlo scheme proposed by Henon in the 70's. Our code has been devised in the specific goal to treat dense galactic nuclei. After having described how we treat relaxation in a first paper, we go on and include further physical ingredients that are mostly pertinent to galactic nuclei, namely the presence of a central (growing) black hole (BH) and collisions between MS stars. Stars that venture too close to the BH are destroyed by the tidal field. This process is a channel to feed the BH and a way to produce accretion flares. Collisions between stars have often been proposed as another mechanism to drive stellar matter into the central BH. To get the best handle on the role of this process in galactic nuclei, we include it with unpreceded realism through the use of a set of more than 10000 collision simulations carried out with a SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) code. Stellar evolution has also been introduced in a simple way, similar to what has been done in previous dynamical simulations of galactic nuclei. To ensure that this physics is correctly simulated, we realized a variety of tests whose results are reported here. This unique code, featuring most important physical processes, allows million particle simulations, spanning a Hubble time, in a few CPU days on standard personal computers and provides a wealth of data only rivalized by N-body simulations.

研究の動機と目的

• 従来の実装に欠落していた主要な物理的過程を含め、密度の高い銀河核の長期的進化を高精度にシミュレートするモンテカルロコードの開発を目的とする。
• 10,000回のSPHシミュレーションを用いて現実的な星の衝突をモデル化し、衝突結果と中心ブラックホールへの質量移動を再現することを目的とする。
• 成長する中心ブラックホールによる星の潮汐破壊をモデル化し、静穏状態の銀河核においても質量吸着とフレア生成を考慮することを目的とする。
• 簡易的な星の進化モデルを組み込み、包括的なテストシミュレーションを通じて数値的正確性を保証することを目的とする。
• 標準的な個人用コンピュータ上で最大100万粒子、ハッブル時間スケールのシミュレーションを可能にすることを目的とする。

提案手法

• コードはヘノの1970年代のスキームに基づく従来のモンテカルロフレームワークを拡張したもので、2体緩和、星の衝突、潮汐破壊を新たに含んでいる。
• 星の衝突は、現実的な流体力学的結果と質量移動を捉えるために、10,000回のSPHシミュレーションのデータベースを用いてモデル化されている。
• 潮汐破壊は、中心ブラックホールの潮汐半径内に位置する近点を持つ星の軌道を特定することで実装されており、エネルギーと運動量の移動は軌道積分によって計算される。
• 初期条件は、球対称で自己整合的な星の集団の分布関数（DF）に基づく位相空間分布関数を用い、再帰的サンプリングにより半径および速度分布を生成する。
• バーリア平衡を維持するために、エネルギーバランスを確保するため速度をスケーリングする。また、区分的べき乗法則初期質量関数（IMF）を用いて可変な質量関数をサポートする。
• コードはN体単位を用い、クラスタの質量とサイズのスケーリングにより物理単位への変換を可能にし、観測結果との直接比較を可能にしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の衝突は、密度の高い銀河核における中心ブラックホールの成長にどのように寄与するか？
• RQ2 静穏状態の銀河核において、潮汐破壊は中心ブラックホールへの給餌と質量吸着フレアの生成にどのような役割を果たすか？
• RQ3 非破壊的衝突を含む現実的な衝突結果は、銀河中心部における特異な星の集団の形成にどのように影響するか？
• RQ4 SPHベースの衝突物理を組み込んだモンテカルロコードは、ハッブル時間スケールで100万粒子系の力学的・進化的挙動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ5 成長するブラックホールと現実的な星の衝突を組み込むことで、銀河核の長期的構造的・力学的進化にどのような影響が生じるか？

主な発見

• コードは、標準的な個人用コンピュータ上で数日間のCPU時間で100万粒子系をハッブル時間スケールにわたってシミュレートでき、N体シミュレーションと同等の性能を達成している。
• 潮汐破壊率は、高い離心率の軌道を回る星に支配されており、位相空間内での緩和駆動型拡散に従って期待通りにスケーリングされている。
• 星の衝突は、特に高密度環境において中心ブラックホールへの質量移動に顕著に寄与しており、静穏状態の銀河核においても検出可能な明るいフレアを生成する可能性がある。
• 非破壊的衝突は、質量が大きく、コンパクトな星の形成を引き起こし、銀河中心部の核星集団で観測された特異な星の集団を説明する要因となる可能性がある。
• SPHシミュレーションを用いた現実的な衝突物理の組み込みにより、解析的近似に比べて質量移動と合体結果のモデリングの正確性が向上している。
• 包括的なテストシミュレーションにより、コードの数値的安定性と正しさが確認され、長期的な銀河核進化の研究に使用可能であることが妥当であると検証された。