[論文レビュー] Forming disc galaxies in major mergers II. The central mass concentration problem and a comparison of GADGET3 with GIZMO

S. A. Rodionov, E. Athanassoula+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、原始銀河の大規模合体シミュレーションにおける物理的に不自然な中心質量集中（CMC）を、単純なパラメトリックなAGN風に類似したフィードバックを導入することで解決する。このフィードバックにより、高密度の中心ガス粒子が加熱され、現実的なバー構造の形成が可能になり、円運動速度プロファイルが安定化される。さらに、GADGET3とGIZMOのPSPHバージョンはほぼ同一の結果を示す一方、MFMではより大きな差異が生じることを示し、銀河合体研究におけるコードの一貫性が裏付けられる。

ABSTRACT

Context: In a series of papers, we study the major merger of two disk galaxies in order to establish whether or not such a merger can produce a disc galaxy. Aims: Our aim here is to describe in detail the technical aspects of our numerical experiments. Methods: We discuss the initial conditions of our major merger, which consist of two protogalaxies on a collision orbit. We show that such merger simulations can produce a non-realistic central mass concentration, and we propose simple, parametric, AGN-like feedback as a solution to this problem. Our AGN-like feedback algorithm is very simple: at each time-step we take all particles whose local volume density is above a given threshold value and increase their temperature to a preset value. We also compare the GADGET3 and GIZMO codes, by applying both of them to the same initial conditions. Results: We show that the evolution of isolated protogalaxies resembles the evolution of disk galaxies, thus arguing that our protogalaxies are well suited for our merger simulations. We demonstrate that the problem with the unphysical central mass concentration in our merger simulations is further aggravated when we increase the resolution. We show that our AGN-like feedback removes this non-physical central mass concentration, and thus allows the formation of realistic bars. Note that our AGN-like feedback mainly affects the central region of a model, without significantly modifying the rest of the galaxy. We demonstrate that, in the context of our kind of simulation, GADGET3 gives results which are very similar to those obtained with the PSPH (density independent SPH) flavor of GIZMO. Moreover, in the examples we tried, the differences between the results of the two flavors of GIZMO, namely PSPH, and MFM (mesh-less algorithm) are similar to and, in some comparisons, larger than the differences between the results of GADGET3 and PSPH.

研究の動機と目的

• 原始銀河の大規模合体シミュレーションにおいて生じる物理的に不自然な中心質量集中（CMC）を解消すること。このCMCは現実的なバー構造の形成を妨げる。
• 単純でパラメトリックなAGN風に類似したフィードバックが、CMCを効果的に抑制し、現実的な運動論的プロファイルを回復できるかどうかを検証すること。
• GADGET3と、GIZMOコードの異なるハイドロダイナミクスソルバー（PSPHとMFM）の性能を、原始銀河の同様の合体シミュレーションにおいて比較すること。
• 孤立した原始銀河が現実的なディスク型構造へと進化することを検証し、合体実験の初期条件としての妥当性を裏付けること。

提案手法

• 初期条件は、ダークマターとガスハローから成る球対称で平衡状態にある2つの原始銀河であり、ディスク形成を再現するためにスピンを付与する。
• AGN風に類似したフィードバックアルゴリズムは、局所的な体積密度が閾値 ρ_AGN を超えるガス粒子を、各タイムステップで固定温度 T_AGN まで加熱する。
• フィードバックは中心領域に限定して適用され、外側のディスク構造への摂動を最小限に抑えつつ、CMC問題を解決する。
• シミュレーションはGADGET3およびGIZMOの3つのバージョン（従来のSPH: TSPH、密度非依存SPH: PSPH、メッシュフリーMFM）を用いて実行される。
• 合体残骸の現実性を評価するために、円運動速度プロファイルとバー形成をモニタリングする。
• フィードバックにエディントン限界を含める場合としない場合を比較し、実際の質量および速度プロファイルを達成するために不可欠ではないことが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単純でパラメトリックなAGN風に類似したフィードバックアルゴリズムは、原始銀河の大規模合体シミュレーションにおける物理的に不自然な中心質量集中（CMC）を効果的に解消できるか？
• RQ2 AGN風に類似したフィードバックの導入により、現実のディスク銀河に一般的に見られるような現実的なバー構造が合体残骸に形成されるか？
• RQ3 GADGET3の結果と、GIZMOの異なるハイドロダイナミクスソルバー（PSPHとMFM）の結果を、同一の初期条件で比較した場合、どのような差異が生じるか？
• RQ4 シミュレーションの解像度を向上させると、中心質量集中問題が悪化するか？また、フィードバックはその影響を緩和できるか？
• RQ5 物理的に現実的な密度プロファイルと速度プロファイルを達成するために、フィードバックアルゴリズムにエディントン限界が必要か？

主な発見

• AGN風に類似したフィードバックがなければ、すべてのシミュレーションで強い物理的に不自然な中心質量集中（CMC）が発生し、現実的でないほど鋭い円運動速度プロファイルが得られる。
• CMCはバー構造の形成を妨げ、観測結果と矛盾する。なぜなら、約60％のディスク銀河がバーを有しているからである。
• AGN風に類似したフィードバックにより、CMCが効果的に除去され、現実的な円運動速度プロファイルが回復され、安定した現実的なバー構造の形成が可能になる。
• フィードバックの影響は主に中心領域に限定され、外側のディスク構造や全体の形態には顕著な変化をもたらさない。
• GADGET3とGIZMOのPSPHバージョンは、すべてのシミュレーションでほぼ同一の結果を示し、この種の問題に対して強いコードの一貫性があることを示している。
• MFMとPSPHの差異は、GADGET3とPSPHの差異と同等またはそれ以上であり、MFMがこの文脈で特異な物理的効果を導入している可能性を示唆している。