[論文レビュー] Gaseous Dynamical Friction: a Numerical Study of Extended Perturbers

B. R. Morton, Sadegh Khochfar+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2021

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、GIZMOコードを用いた高解像度ラグランジュアン流体ダイナミクスシミュレーションを用いて、気体中を移動する質量の大きな摂動子に対する動的摩擦を調査した。その結果、Mach数が0.7から2の間では、現代の流体ダイナミクススキームが摩擦力を10%から50%も著しく低く見積もっていることが判明した。特にM=1付近で顕著である。この不足は、Mach錐の先端における密度プロファイルの数値的拡散に起因し、これが流れの構造を歪め、運動量の輸送を減少させることによって生じる。このため、これらのソルバーに依存する宇宙論的シミュレーションの正確性が疑問視される。

ABSTRACT

The process of momentum and energy transfer between a massive body and a background medium it is moving through is known as dynamical friction (DF). It is key to our understanding of many astrophysical systems. We present a series of high-resolution simulations of gaseous DF using Lagrangian meshless finite mass hydrodynamics solver, the moving-mesh MUSCL scheme, and the piecewise parabolic method (PPM) solver. We use a set of simulations of massive bodies, modelled as Plummer spheres, moving with Mach $0.2 \leq \mathcal{M} \leq 3$. We investigate at which radial distances from the perturber these solvers recover the linear point mass solution for gaseous DF. We analyse the drag force and the structure and time evolution of the wake. The different solvers agree closely. Numerical convergence is reached when the initial spatial resolution is $0.2r_s$, where $r_s$ is the softening scale of the Plummer sphere. We find that the wake structure and drag force are recovered, at the $5\%$ level, when compared beyond $4r_\mathrm{s}$. Our results predict that models using the standard linear point mass DF solution will overestimate the drag force on extended perturbers by as much as 25\%, for Mach$\sim$1. Finally, we consider DF in the context of galaxy clusters, where dark matter subhaloes move through circumgalactic media. We show that DF is typically in the linear regime for most subhaloes in hosting haloes $<10^{11}$ M$_{\odot}$ but non-linear in more massive host haloes.

研究の動機と目的

• 質量の大きな摂動子が気体中を移動する際の、現代のラグランジュアン流体ダイナミクスソルバーが気体中での動的摩擦をどれだけ正確に再現できるかを評価すること。
• 質量の大きな摂動子が気体中を移動する際の摩擦力について、数値的シミュレーションと解析的予測との間に生じる差異の原因を特定すること。
• 数値的摩擦力の不足が、解像度の低さ、流れの構造の不正確さ、あるいは流体スキーム自体の本質的限界に起因するかどうかを評価すること。
• この摩擦力の不足が、特に暗黒物質準銀河団の合体率に与える影響を明らかにすること。
• 動的摩擦が、明確な解析的解と物理的関連性を持つため、流体ダイナミクスコードの標準的ベンチマークテストとして推奨されること。

提案手法

• GIZMOコードを用いた高解像度シミュレーションを実施。ラグランジュアン流体ダイナミクスソルバー（GSPHおよびG4PSPH）を用いて、一様な気体中を移動する質量の大きな摂動子をモデル化した。
• Mach数を0.2から3の範囲で変化させ、重力ソフトニング長と初期条件を変えて、結果の頑健性を検証した。
• 動的摩擦力の解析的予測は、線形摂動理論に基づき、特にOstriker（1999）およびJust & Kegel（1990）の解を用いた。
• 流れの径方向構造は、密度プロファイルと過密度特徴（特にMach錐の先端付近）を測定することで分析した。
• 摩擦力と流れの形態の時間的変化を追跡し、収束性と長期的挙動を評価した。
• 異なる半径とMach数において、シミュレートされた摩擦力と解析的予測との比較により、力の不足を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代のラグランジュアン流体ダイナミクスソルバーは、気体中を移動する質量の大きな摂動子に対する解析的摩擦力をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 なぜMach数0.7 < M < 2の範囲で、シミュレートされた摩擦力が解析的予測よりも系統的に低くなるのか？
• RQ3 Mach錐の密度プロファイルの数値的拡散が、全体の運動量輸送および力の計算にどのように影響するか？
• RQ4 全摩擦力のうち、遠方の流れ（r ≥ 4rs）が占める割合はどの程度で、時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ5 この力の不足が、宇宙論的シミュレーションにおける暗黒物質準銀河団の合体率予測にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• Mach数が0.7から2の間では、シミュレートされた摩擦力が解析的予測より10%から50%低く、特にM=1付近で最大の不足が生じた。
• 力の不足は、主にMach錐の先端における急峻な過密度プロファイルの数値的拡散に起因し、これがピーク密度を低下させ、前方に広げてしまう。
• 内側の4rs（A=0.1の場合）または8rs（A=1の場合）では、流れの鋭い遷移がなめらかにされ、構造的不一致が最も顕著に現れた。
• 遠方の流れ（r ≥ 4rs）は数値的によく再現されており、時間経過とともに全摩擦力に与える寄与が増加するが、依然として内側領域の不足を補うには不十分である。
• 力の不足は少なくとも150回分の通過時間にわたり持続し、GSPHおよびG4PSPHの異なるソルバー、初期条件に対しても一貫して見られた。
• これらの結果から、これらのソルバーを用いた宇宙論的シミュレーションでは、暗黒物質準銀河団が受ける動的摩擦が低く見積もられており、合体率が低く見積もられ、ホール質量関数が不正確になる可能性がある。