[論文レビュー] Evolution of globular-cluster systems of ultra-diffuse galaxies due to dynamical friction in MOND gravity

Michal Bílek, Hongsheng Zhao+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 133被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、孤立した超拡散銀河（UDG）内の球状星団（GC）における修正ニュートン動力学（MOND）の力学的摩擦を、高解像度N体シミュレーションを用いて検証する。Sánchez-Salcedoが提唱したMOND力学的摩擦公式が、半径0.5効果的半径を超える遠星点を持つ単一のGCに対して良好に機能することを確認した。また、GC系がコアストールディングによって核境界星団の形成を回避し、宿主星の速度分散よりも低くなる傾向にあることから、MONDが銀河スケールの力学において妥当であることを支持する。

ABSTRACT

<i>Context.<i/> Dynamical friction can be used to distinguish Newtonian gravity and modified Newtonian dynamics (MOND) because it works differently in these frameworks. This concept, however, has yet to be explored very much with MOND. Previous simulations showed weaker dynamical friction during major mergers for MOND than for Newtonian gravity with dark matter. Analytic arguments suggest the opposite for minor mergers. In this work, we verify the analytic predictions for MOND by high-resolution <i>N<i/>-body simulations of globular clusters (GCs) moving in isolated ultra-diffuse galaxies (UDGs).<i>Aims.<i/> We test the MOND analog of the Chandrasekhar formula for the dynamical friction proposed by Sánchez-Salcedo on a single GC. We also explore whether MOND allows GC systems of isolated UDGs to survive without sinking into nuclear star clusters.<i>Methods.<i/> The simulations are run using the adaptive-mesh-refinement code Phantom of Ramses. The mass resolution is 20 <i>M<i/><sub>⊙<sub/> and the spatial resolution 50 pc. The GCs are modeled as point masses.<i>Results.<i/> Simulations including a single GC reveal that, as long as the apocenter of the GC is over about 0.5 effective radii, the Sánchez-Salcedo formula works excellently, with an effective Coulomb logarithm increasing with orbital circularity. Once the GC reaches the central kiloparsec, its sinking virtually stops, likely because of the core stalling mechanism. In simulations with multiple GCs, many of them sink toward the center, but the core stalling effect seems to prevent them from forming a nuclear star cluster. The GC system ends up with a lower velocity dispersion than the stars of the galaxy. By scaling the simulations, we extend these results to most UDG parameters, as long as these UDGs are not external-field dominated. We verify analytically that approximating the GCs by point masses has little effect if the GCs have the usual properties, but for massive GCs such as those observed in the NGC 1052-DF2 galaxy, further simulations with resolved GCs are desirable.

研究の動機と目的

• 孤立した超拡散銀河（UDG）内の球状星団（GC）に対して、Sánchez-Salcedoが提唱したChandrasekharの力学的摩擦公式のMOND版を検証すること。
• 孤立したUDG内のGC系が、MOND重力のもとで中心核境界星団に沈んでいかないかを調査すること。
• GC質量関数および内部動力学が、MONDにおけるGC系の進化に与える影響を評価すること。
• 特にNGC1052-DF2に似た質量のGCに対して、GCを点質量として近似することがシミュレーションで妥当であるか、あるいは内部エネルギーの変化が軌道進化に顕著に影響を与えるかを評価すること。
• 特に準位相銀河合体のシナリオにおいて、MONDとニュートン重力との力学的摩擦の違いが銀河進化に与える影響を検討すること。

提案手法

• 20 M⊙の質量分解能と50 pcの空間分解能を備えた、適応メッシュリファインメントコード「Phantom of Ramses」を用いた高解像度N体シミュレーションを実施。
• 深モンド状態にある孤立したUDGにおいて、GCを点質量としてモデル化し、MOND重力下での軌道進化を模擬。
• Sánchez-Salcedoの公式を用いてMOND力学的摩擦を適用し、シミュレートされた軌道減衰率との整合性を検証。
• スケーリング則を用いて、外部場効果（EFE）が支配的でない前提で、広範なUDGパラメータに結果を外挿。
• シミュレーションと解析的推定を組み合わせ、GC同士の相互作用による内部エネルギー変化の役割を評価。
• 10 GyrにわたるGC系の速度分散の進化および空間分布の変化を評価し、動的進化を推論。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sánchez-SalcedoのMOND力学的摩擦公式は、UDG内に存在する単一の球状星団の軌道減衰を正確に予測できるか？
• RQ2 孤立したUDG内のGC系は、MONDにおけるコアストールディングのため、核境界星団の形成を回避できるか？
• RQ3 特にNGC1052-DF2に似た質量のGCに対して、GC同士の相互作用はMONDにおけるGC系の沈下にどのように影響を与えるか？
• RQ4 MONDシミュレーションにおけるGCの点質量近似は妥当か？ あるいは内部エネルギーの変化が軌道進化に顕著に影響を与えるか？
• RQ5 準位相銀河を含む小規模合体シナリオにおいて、MONDにおける力学的摩擦はニュートン重力と比べてどのように異なるか？

主な発見

• Sánchez-SalcedoのMOND力学的摩擦公式は、遠星点がおよそ0.5効果的半径を超える限り、単一のGCの軌道減衰を正確に予測できる。有効なコルビン・ログは軌道の円形度に応じて増加する。
• GCが中心1 kpcに達すると、コアストールディング機構により沈下が停止し、銀河中心への急激な落下が防がれる。
• 複数GCのシミュレーションでは、多くのクラスタが中心に近づくが、コアストールディングにより核境界星団への凝集が阻止され、宿主星系よりも低速度分散を維持する。
• 標準的な質量関数を有するGC系では、10 Gyrの間に3.5 kpcから2 kpcの3次元半数半径へと拡張が進んだ。これは10 Gyr前にはGC系が形成時においてほぼ2倍に広がっていた可能性を示唆する。
• GC系に質量分離が観測された。これは、質量の大きいクラスタがより速く内側へ移動することを示しており、観測による検証可能な予測である。
• NGC1052-DF2に類似したGCに対しては、GC同士の相互作用が、約半数のクラスタにニュートン的束縛エネルギーと同等のエネルギーを転送すると予想され、沈下を加速させ、核境界星団形成のリスクを高める可能性がある。これは、解像度の高いGCシミュレーションの必要性を強調する。