[論文レビュー] Building CX peanut-shaped disk galaxy profiles. The relative importance of the 3D families of periodic orbits bifurcating at the vertical 2:1 resonance

P. A. Patsis, M. Harsoula|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2018

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 21被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、縦方向2:1共鳴における3次元周期軌道の分岐が生じる非標準的回転バー銀河モデルにおいて、CX型（中心に位置する）およびOX型（オフセンター）のピーナツ型バルジの力学的メカニズムを、安定性および軌道内容の観点から調査する。特定のN-body由来ポテンシャルにおいて、安定な3次元族が擬周期軌道を通じて∞字型（CX型）のプロファイルを生成する一方、スタービング・カオス的軌道が代替的な形態を強化する。これは、標準モデルでは安定族がOXプロファイルを支持するという典型的なメカニズムとは逆転している。

ABSTRACT

We present and discuss the orbital content of a rather unusual rotating barred galaxy model, in which the three-dimensional (3D) family, bifurcating from x1 at the 2:1 vertical resonance with the known "frown-smile" side-on morphology, is unstable. Our goal is to study the differences that occur in the phase space structure at the vertical 2:1 resonance region in this case, with respect to the known, well studied, standard case, in which the families with the frown-smile profiles are stable and support an X-shaped morphology. The potential used in the study originates in a frozen snapshot of an $N$-body simulation in which a fast bar has evolved. We follow the evolution of the vertical stability of the central family of periodic orbits as a function of the energy (Jacobi constant) and we investigate the phase space content by means of spaces of section. The two bifurcating families at the vertical 2:1 resonance region of the new model change their stability with respect to that of most studied analytic potentials. The structure in the side-on view that is directly supported by the trapping of quasi-periodic orbits around 3D stable periodic orbits has now an infinity symbol (i.e. $\infty$-type) profile. However, the available sticky orbits can reinforce other types of side-on morphologies as well. In the new model, the dynamical mechanism of trapping quasi-periodic orbits around the 3D stable periodic orbits that build the peanut, supports the $\infty$-type profile. The same mechanism in the standard case supports the X shape with the frown-smile orbits. Nevertheless, in both cases (i.e. in the new and in the standard model) a combination of 3D quasi-periodic orbits around the stable x1 family with sticky orbits can support a profile reminiscent of the shape of the orbits of the 3D unstable family existing in each model.

研究の動機と目的

• 縦方向2:1共鳴における位相空間構造を、3次元族がx1から分岐するが不安定となる非標準的回転バー銀河モデルで調査すること。
• このモデルにおける軌道的ダイナミクスと形態的結果を、3次元族が安定である標準ケースと比較すること。
• 擬周期的軌道およびスタービング・カオス的軌道が、ディスク銀河の側面図におけるCX型およびOX型側面プロファイルの形成に果たす役割を特定すること。
• 縦方向2:1共鳴における3次元周期軌道の安定性が、最終的なX字型バルジ形態に与える影響を評価すること。
• CXプロファイルの力学的起源を明確にし、従来の見方である「安定族のみがこのような構造を支える」という見解に挑戦すること。

提案手法

• 高速回転バー銀河のN-bodyシミュレーションにおける固定スナップショットをポテンシャル源として用いる。
• 数値積分を用いて、エネルギー（ジャコビ定数）の関数として中心のx1周期軌道族の縦方向安定性を追跡する。
• 断面図を用いて位相空間構造を分析し、規則的運動とカオス的運動の領域を特定する。
• 縦方向2:1共鳴における分岐する3次元族（x1v1およびx1v2）の安定性遷移を同定および分析する。
• 安定な3次元族の周囲に捕獲された擬周期的軌道および不安定族の近傍におけるスタービング・カオス的軌道が、最終的な側面図形態に与える影響を追跡する。
• 本モデルと標準的解析モデル（例：フェラーズバー）との間で、形態的結果（CX対OXプロファイル）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 縦方向2:1共鳴における分岐する3次元周期軌道の安定性が、バー銀河モデルの側面図形態にどのように影響するか？
• RQ2 安定な3次元族が∞字型プロファイルを示すモデルにおいて、CX型（中心に位置する）X字型バルジの形成を支える力学的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜこのモデルではスタービング・カオス的軌道がCXプロファイル形成においてより顕著な役割を果たすのか？これは標準ケースとは逆である。
• RQ4 特に不安定な周期軌道の周囲に存在するスタービング領域を有する位相空間構造が、観測された形態の長期的安定性にどのように影響するか？
• RQ5 同じ軌道族が、分岐する3次元族の安定性および規則的軌道対カオス的軌道の優位性に応じて、CXおよびOXプロファイルの両方を支えることができるか？

主な発見

• 本モデルでは、縦方向2:1共鳴における分岐する3次元族が不安定であり、代わりに安定族が側面図において∞字型（CX型）のプロファイルを支持する。
• 安定3次元族の周囲に捕獲された擬周期的軌道のトラップが、CX型プロファイルの形成を引き起こし、これは標準モデルで一般的なメカニズムとは逆転している。
• 本モデルにおけるスタービング・カオス的軌道は、基盤となる安定族が∞字型構造を形成するにもかかわらず、OX型形態を強化する。
• 標準モデルでは安定族（x1v1）がOXプロファイルを支持し、不安定族（x1v2）がカオスを通じてCXプロファイルを支持するが、本モデルでは安定性の配置が逆転しているため、役割も逆転している。
• 長期間にわたってスタービング寿命を持つカオス的領域が存在することで、安定周期軌道上にないにもかかわらず、カオス的軌道が観測形態に持続的な影響を与えることが可能になる。
• X字型バルジの形成メカニズムは安定族に限定されるものではなく、規則的軌道、スタービング・カオス、および分岐族の安定性の相互作用が最終的な形態を決定づける。