[論文レビュー] Bar formation and destruction in the FIRE-2 simulations

Sioree Ansar, Sarah Pearson+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、FIRE-2の宇宙論的ズームインシミュレーションに含まれる13個の銀河について、銀河のバー形成と崩壊を調査した。バーは主に内部ディスク不安定性または潮汐相互作用によって形成され、内側ディスクの運動的寒冷性が重要な要因であることが判明した。バーは一般的に短期間で消滅し、弱い（A₂/A₀ ≈ 0.1–0.2）ものであり、衛星との相互作用や星間物質と暗黒物質の割合に影響を受けるが、いずれの条件もバー形成のための十分条件ではない。

ABSTRACT

The physical mechanisms responsible for bar formation and destruction in galaxies remain a subject of debate. While we have gained valuable insight into how bars form and evolve from isolated idealized simulations, in the cosmological domain, galactic bars evolve in complex environments with mergers, gas accretion events, in presence of turbulent Inter Stellar Medium (ISM) with multiple star formation episodes, in addition to coupling to their host galaxies' dark matter halos. We investigate bar formation in 13 Milky Way-mass galaxies from the FIRE-2 (Feedback in Realistic Environments) cosmological zoom-in simulations. 8 of the 13 simulated galaxies form bars at some point during their history: three from tidal interactions and five from internal evolution of the disk. The bars in FIRE-2 are generally shorter than the corotation radius (mean bar radius $\sim 1.53$ kpc), have a wide range of pattern speeds (36--97 km s$^{-1}$kpc$^{-1}$), and live for a wide range of dynamical times (2--160 bar rotations). We find that bar formation in FIRE-2 galaxies is influenced by satellite interactions and the stellar-to-dark matter mass ratio in the inner galaxy, but neither is a sufficient condition for bar formation. Bar formation is more likely to occur, and the bars formed are stronger and longer-lived, if the disks are kinematically cold; galaxies with high central gas fractions and/or vigorous star formation, on the other hand, tend to form weaker bars. In the case of the FIRE-2 galaxies these properties combine to produce ellipsoidal bars with strengths $A_2/A_0 \sim$ 0.1--0.2.

研究の動機と目的

• 宇宙論的に現実的な銀河シミュレーションにおけるバー形成および崩壊を駆動する物理的メカニズムを理解すること。
• バーのダイナミクスにおいて、内部ディスク進化、衛星相互作用、ハローとの結合の相対的役割を特定すること。
• ガス分率、星形成、ディスク運動学がバー強度および持続時間に与える影響を評価すること。
• 13個のFIRE-2ミルキーウェイ質量銀河のサンプルにおいて、パターン速度、半径、および寿命といったバーの性質を定量化すること。
• 宇宙論的文脈において、潮汐相互作用と内部進化のどちらがバー形成の主な駆動要因であるかを評価すること。

提案手法

• FIRE-2プロジェクトの13個の高解像度宇宙論的ズームインシミュレーションを用い、ミルキーウェイ質量銀河に焦点を当てた。
• スターデンシティおよび速度場の時系列解析を通じてバーの進化を追跡し、フォーリエ分解を用いてバー強度（A₂/A₀）を計算した。
• 衛星からの潮汐力は、潮汐インデックスΓを用いて定量化した。Γ ≳ -2.45は、顕著な潮汐的影響を示す。
• 垂直速度分散ε > 0.7を満たす星の割合（f_disk(r) = M_*,ε>0.7 / M_*）を用いて、ディスクの運動的寒冷性を評価した。
• バー形成時刻と衛星相互作用時刻、ハローの性質を相関させ、因果関係を評価した。
• 動的時標高と回転周期を用いて、パターン速度およびバーの寿命を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙論的シミュレーションにおいて、ディスクおよびハローでバー形成を促進する物理的条件は何か？
• RQ2 FIRE-2シミュレーションにおけるミルキーウェイ質量銀河において、衛星相互作用がどれほどバー形成を誘発するか？
• RQ3 星のディスクの運動的寒冷性は、バー強度および持続時間にどのように影響するか？
• RQ4 中心ガス分率および星形成は、バー形成を抑制または弱体化させる役割を果たすか？
• RQ5 バーの性質（パターン速度、半径、寿命）は、ホスト銀河の構造的および力学的パラメータとどのように相関するか？

主な発見

• 13個のFIRE-2銀河のうち8個が何らかの時点でバーを形成した。そのうち5個は内部ディスク不安定性によるもの、3個は潮汐相互作用によるものであった。
• バーは一般的に短期間で消滅し、2〜160回の回転周期にわたるが、平均バー半径は約1.53 kpcであった。
• バー強度は弱く、A₂/A₀の値は0.1から0.2の範囲にあった。これは楕円体的バーと整合的であった。
• 内側ディスク（r < 5 kpc）の運動的寒冷性は、バー形成の強力な予測要因であり、寒冷なディスクはより強く、より長期間にわたるバーを形成しやすい傾向にあった。
• 高い中心ガス分率および活発な星形成はバー形成を抑制し、弱いまたは失敗したバーをもたらした。
• Γ ≳ -2.45の衛星相互作用およびバー形成から約10個の動的時標高以内のタイミングは、バー誘発に必要だが、十分ではない。