[論文レビュー] Bars and secular evolution in disk galaxies: Theoretical input

E. Athanassoula|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、銀河のディスクにおけるバー駆動型定常的進化の理論的枠組みを提示し、バーが共鳴によって角運動量を再分配することで、ボックス型／ピーナツ型バルジへのバーの厚化と、擬似バルジ形成やディスクの時間定数長の増大といった構造的進化を引き起こすことを示している。主な結果は、バーの強度と持続時間が、バーからの角運動量放出がセラロイドおよび外側ディスクによる吸収と最適にバランスをとる場合に最大となり、これはミルキーウェイのバーの観測された形態を説明する。

ABSTRACT

Bars play a major role in driving the evolution of disk galaxies and in shaping their present properties. They cause angular momentum to be redistributed within the galaxy, emitted mainly from (near-)resonant material at the inner Lindblad resonance of the bar, and absorbed mainly by (near-)resonant material in the spheroid (i.e., the halo and, whenever relevant, the bulge) and in the outer disk. Spheroids delay and slow down the initial growth of the bar they host, but, at the later stages of the evolution, they strengthen the bar by absorbing angular momentum. Increased velocity dispersion in the (near-)resonant regions delays bar formation and leads to less strong bars. When bars form they are vertically thin, but soon their inner parts puff up and form what is commonly known as the boxy/peanut bulge. This gives a complex and interesting shape to the bar which explains a number of observations and also argues that the COBE/DIRBE bar and the Long bar in our Galaxy are, respectively, the thin and the thick part of a single bar. The value of the bar pattern speed may be set by optimising the balance between emitters and absorbers, so that a maximum amount of angular momentum is redistributed. As they evolve, bars grow stronger and rotate slower. Bars also redistribute matter within the galaxy, create a disky bulge (pseudo-bulge), increase the disk scale-length and extent and drive substructures such as spirals and rings. They also affect the shape of the inner part of the spheroid, which can evolve from spherical to triaxial.

研究の動機と目的

• バーが角運動量の再分配を通じてどのようにディスク銀河における定常的進化を駆動するかを理解すること。
• 共鳴およびセラロイド成分がバーの成長と進化をどのように制御するかを明確にすること。
• ボックス型／ピーナツ型バルジの形成とその観測的意義（特にミルキーウェイのバーの性質を含む）を説明すること。
• 速度分散およびハローの性質がバーの強度と進化 timescale に与える影響を調査すること。
• 角運動量再分配が最大となる条件を特定し、バーの進化を最適化する要因を明らかにすること。

提案手法

• 剛体部品を避けるために、ライブハローを用いたN体シミュレーションを用いてバーの形成と進化をモデル化し、角運動量交換を人工的に制約しないようにする。
• 軌道構造理論を適用して、特に共鳴領域においてバーの垂直方向の厚化がどのように起こるかを説明する。
• バー、ディスク、セラロイド（ハローおよびバルジ）間の角運動量移動を分析し、内側および外側リンブレッド共鳴に焦点を当てる。
• ディスクおよびセラロイドにおける速度分散が共鳴活動および角運動量の放出／吸収に与える影響を評価する。
• バーのパターン速度、共鳴半径、バー長の時間的変化を分析し、バーがどのように強くならず、ゆっくりと回転するようになるかを評価する。
• COBE/DIRBEおよびミルキーウェイのロングバーといった観測結果と比較し、バーの三次元的構造を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バーはどのようにディスク銀河内で角運動量を再分配し、共鳴はこのプロセスにおいてどのような役割を果たすのか？
• RQ2 なぜバーはボックス型／ピーナツ型バルジへと厚くなるのか？この垂直方向の厚化の半径的範囲はどのように決定されるのか？
• RQ3 セラロイド（ハローおよび／またはバルジ）の存在が、バーの形成と進化に与える影響は何か。特に初期段階と後期段階においては？
• RQ4 ディスクおよびセラロイドにおける速度分散が、バー形成の遅延とバー強度の低下に果たす役割は何か？
• RQ5 角運動量再分配が最大となる条件は何か。これは観測されたバーの強度とパターン速度とどのように関係するのか？

主な発見

• N体シミュレーションにより、バーはディスク銀河内で自発的に形成され、角運動量の再分配を通じて進化する。放出は主に内側リンブレッド共鳴で発生し、吸収はセラロイドおよび外側ディスクで発生する。
• セラロイドは初期のバー成長を遅らせるが、後に角運動量を吸収することでバーを強化し、セラロイド対ディスク質量比が高い銀河ではより強いバーが形成される。
• ディスクまたはセラロイドにおける速度分散の増加は共鳴活動を低下させ、バーを弱め、形成を遅らせる。
• バーは初期に垂直方向に薄いが、内側領域で軌道の密集により急速に厚くなり、ボックス型／ピーナツ型バルジを形成する。このバルジはバー長の約 (0.7 ± 0.3) 倍の半径範囲にまで広がる。
• COBE/DIRBEのバーとミルキーウェイのロングバーは、それぞれ一つの垂直に延長されたバーの薄い部分と厚い部分に対応すると解釈される。
• バーが長くなるにつれてバー強度は増加し、パターン速度は低下する。角運動量再分配が最大となる条件で最も強いバーが形成され、これは必ずしもセラロイド質量が最大のときとは限らない。