[論文レビュー] Formation of Galactic Disks II: the Physical Drivers of Disk Spin-up

Vadim A. Semenov, Charlie Conroy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、TNG50 宇宙論的シミュレーションを用いて、へびがてん星銀河における銀河ディスク形成が、共回転する吹き出しのリサイクル、バルジ形成に伴う重力ポテンシャルの急峻化、および高温の周銀河ハロー形成の同時的相互作用によって駆動されることを同定した。主な発見は、ディスクが宿主ハローの質量が $\sim(1\text{--}2)\times 10^{11}{\rm\;M_{\odot}}$ を超えると形成されることであり、低速および中速の流入ガスがディスクに落ち着く一方で、超音速の冷たい降着がディスクを攪乱することから、ディスクのスピンアップと安定化には複数のプロセスが関与していることが示唆される。

ABSTRACT

Using a representative sample of Milky Way (MW)-like galaxies from the TNG50 cosmological simulation, we investigate physical processes driving the formation of galactic disks. A disk forms as a result of the interplay between inflow and outflow carrying angular momentum in and out of the galaxy. Interestingly, the inflow and outflow have remarkably similar distributions of angular momentum, suggesting an exchange of angular momentum and/or outflow recycling, leading to continuous feeding of prealigned material from the corotating circumgalactic medium. We show that the disk formation in TNG50 is correlated with stellar bulge formation, in qualitative agreement with a recent theoretical model of disk formation facilitated by steep gravitational potentials. Disk formation is also correlated with the formation of a hot circumgalactic halo with around half of the inflow occurring at subsonic and transonic velocities corresponding to Mach numbers of $\lesssim2$. In the context of recent theoretical works connecting disk settling and hot halo formation, our results imply that the subsonic part of the inflow may settle into a disk while the remaining supersonic inflow will perturb this disk via the chaotic cold accretion. We find that disks tend to form when the host halos become more massive than $\sim (1-2) imes 10^{11} M_\odot$, consistent with previous theoretical findings and observational estimates of the predisk protogalaxy remnant in the MW. Our results do not prove that either corotating outflow recycling, gravitational potential steepening, or hot halo formation cause disk formation, but they show that all these processes occur concurrently and may play an important role in disk growth.

研究の動機と目的

• 高解像度の宇宙論的シミュレーションを用いて、へびがてん星銀河におけるディスクスピンアップおよび形成の物理的駆動要因を同定すること。
• 流入・流出による角運動量の交換が、銀河ディスクの形態に与える影響を調査すること。
• 高温ハロー形成、バルジ成長、または吹き出しのリサイクルが、ディスク形成と因果関係にあるのか、それとも単なる同時プロセスにとどまるのかを特定すること。
• ハローマスおよび重力ポテンシャルの進化と比較して、ディスク形成のタイミングと質量閾値を評価すること。

提案手法

• TNG50 宇宙論的ボリュームシミュレーションから得られたへびがてん星銀河の代表的サンプルを分析し、フル流体ダイナミクスおよび星形成フィードバックモデルを用いる。
• 周銀河媒体と銀河ディスク間の一致度およびリサイクル効率を評価するため、流入・流出における角運動量の進化を追跡する。
• 銀河中心部の円運動速度および星の質量集中度の半径依存的プロファイルを用いて、重力ポテンシャルの急峻化を測定する。
• 流入モード（低速、中速、超音速）を、局所的なマッハ数および降着ガスの温度プロファイルを用いて特定する。
• ディスク形成の時期とハローマスの増加、バルジ形成、高温ハロー発達を相関させ、同時に発現する物理的プロセスを同定する。
• 100 個以上の銀河にわたる統計的分析を用いて、ディスク形成の質量閾値およびタイミングの相関関係を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 へびがてん星銀河における銀河ディスクのスピンアップおよび形成を支配する物理的プロセスは何か？
• RQ2 ディスク形成期における流入・流出による角運動量の相互作用はどのように進行するのか？また、共回転ガスのリサイクルはどの程度顕著か？
• RQ3 高温の周銀河ハローの形成または重力ポテンシャルの急峻化は、ディスク形成と因果関係があるのか？
• RQ4 TNG50 シミュレーション銀河において、ディスク形成が顕著に発生するハローマスの閾値はどの程度か？
• RQ5 低速および中速の流入ガスはどの程度ディスクに落ち着き、超音速の流入ガスはどの程度ディスクを攪乱するのか？

主な発見

• TNG50 における銀河ディスクは、宿主ハローのvirial質量が $\sim(1\text{--}2)\times 10^{11}{\rm\;M_{\odot}}$ に達する際に形成され、へびがてん星の原始銀河の観測的推定値と整合的である。
• 流入・流出の両方が顕著に類似した角運動量分布を示しており、周銀河媒体からディスクへの共回転ガスのリサイクルが顕著であることが示唆される。
• ディスク形成は、中心に集中した星のバルジの形成と強く相関しており、これにより重力ポテンシャルが急峻化し、ディスクが安定化する。
• 高温の周銀河ハローはディスク形成と同時に発達し、流入ガスのほぼ半分が低速または中速で降着し、ディスクに落ち着くことが可能である。
• ハローが高温であっても、流入ガス体積の半数以上が超音速の冷たいモードで流入しており、これは不規則な角運動量の降着によってディスクを攪乱する可能性がある。
• ディスク形成後に流入ガスのディスクとの整合性が急速に向上し、特に $\sim3\text{--}5$ 倍の銀河半径付近で顕著な整合性が見られる。