[論文レビュー] Dynamical interplay of disc thickness and the interstellar gas: implication for the longevity of spiral density waves

Soumavo Ghosh, Chanda J. Jog|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 76被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、銀河ディスクの有限な垂直厚さが、星間ガスの有無にかかわらず、渦状密度波の安定性と寿命に与える影響を調査する。衝突なしの星からなるディスクおよび重力的に結合した星＋ガス系のWKB近似分散関係を用いて、ディスクの厚さが自己重力性を低下させ、ディスクを安定化させるとともに、渦状波の寿命を短くする。これはガスが波を維持する効果とは逆効果である。その総合的効果は、これらの競合する影響の相対的優位性に依存する。

ABSTRACT

A typical galactic disc has a finite thickness and in addition to stars it also contains a finite amount of interstellar gas. Here, we investigate the physical impact of the finite thickness of a galactic disc on the disc stability against the non-axisymmetric perturbations and on the longevity of the spiral density waves, with and without the presence of gas. The longevity is quantified via group velocity of density wavepackets. The galactic disc is first modelled as a collisionless stellar disc with finite height and then more realistically as a gravitationally-coupled stars plus gas system (with different thickness for stars and gas). For each case, we derive the appropriate dispersion relation in the WKB approximation, and study the dynamical effect of the disc thickness on the life-time of spiral density waves via a parametric approach. We find the generic trend that the effective reduction in disc self-gravity due to disc thickness makes it more stable against the non-axisymmetric perturbations, and shortens the life-span of the spiral density waves. Further, the interstellar gas and the disc thickness are shown to have a mutually opposite dynamical effect on the disc stability as well as the longevity of the spiral density waves. While the gas supports the non-axisymmetric features for a longer time, the disc thickness has an opposite, quenching effect. Consequently, the net change is set by the relative dominance of the opposite effects of the interstellar gas and the disc thickness.

研究の動機と目的

• 有限なディスク厚さが非軸対称摂動に対する銀河ディスクの安定性に与える影響を理解すること。
• 群速度を代理指標として用いて、ディスク厚さが渦状密度波の寿命に与える影響を定量化すること。
• ディスク厚さと星間ガスの間の相互作用が波の持続性に与える影響を検討すること。
• 星とガスのそれぞれに異なるスケール高さをもつ現実的な有限スケール高さを組み込んだ、従来の薄ディスクモデルの拡張。
• 厚さとガスの両方が、非減衰する波の許容パターン速度の範囲に与える総合的動力学的効果を特定すること。

提案手法

• 有限厚さの衝突なし星ディスクに対して、WKB近似を用いた分散関係を導出する。
• 星とガスの異なるスケール高さを持つ重力的に結合した二成分系へのモデルの拡張。
• ディスク安定性を特徴付けるためにトゥーモア Q パラメータを用い、波の寿命を定量化するために群速度を用いる。
• トゥーモア Q、ディスク厚さ（50–400 pc）、ガス割合（ε = 0.1–0.25）を変化させたパラメトリックスタディを実施。
• 厚さとガス含有量の変化が群速度および許容パターン速度の範囲に与える影響を分析。
• 波の役割を分離するために、一成分（星）系と二成分（星＋ガス）系の結果を比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限なディスク厚さは、星ディスクにおける渦状密度波の成長と安定性にどのように影響するか？
• RQ2 星間ガスは、有限厚さディスクにおける渦状密度波の寿命にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 ディスク厚さとガス含有量は、非減衰する渦状波の許容パターン速度の範囲にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 現実的な銀河的条件下で、ディスク厚さの安定化効果がガスの波維持効果を上回るか？
• RQ5 群速度はディスク厚さの増加に伴いどのように変化するか？ これは波の寿命にどのような意味を持つか？

主な発見

• 有限なディスク厚さは、トゥーモア Q（1.2–2）および厚さ（50–400 pc）の全範囲で、ディスクの自己重力性を低下させ、非軸対称摂動に対する安定性を高める。
• 渦状波パッケージの群速度は、ディスク厚さに比例して単調に増加し、波の寿命が短くなることを示唆する。星ディスクでは、厚さが250 pc増加することで、寿命は最大60％短縮される。
• 二成分系では、ガス割合を増やすことで、厚さに起因する群速度の上昇が緩和され、寿命短縮効果が緩和される。
• ガス豊富系（ε ≥ 0.25）では、厚さの影響が波の寿命にほとんど及ばず、ガスが動的反応を支配する。
• 自己重力が最も顕著な低トゥーモア Q において、厚さの安定化効果が最も強く、許容パターン速度の範囲が著しく狭まる。
• ガスが存在する場合でも、ディスク厚さが400 pc増加すると、Qs、Qg、ε、パターン速度に依存して、波の寿命が5–40％短縮される。