[論文レビュー] Influence of Orbital Behaviour and Chaos on the Shape of Dark Matter Halos

Andrea V. Macciò, Ioannis V. Sideris+3 more|ArXiv.org|Apr 24, 2007

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、宇宙論的ダークマター核においてバリオンの散逸と時間に依存する重力ポテンシャルが、中心付近の粒子の繰り返しの偏光を引き起こし、位相空間への探査が拡大することによって軌道の混沌を引き起こす仕組みを調査している。その結果、軌道はランダム化され、核の中心部がより球形に近づくようになる。これは、散逸的バリオンが存在する状況でシミュレーションされた核の平坦化を説明するものである。

ABSTRACT

It has been shown that the dissipative gas infall during galaxy formation has the capability to modify the shape of dark matter halos. In this paper we perform the first detailed analysis of particle orbits in a cosmological dark matter halos to understand {\it how} and {\it why} baryons alter its shape. We perform a series of numerical experiments where we grow a baryonic core inside a live dark matter halo extracted from a cosmological simulation. We follow the orbits of more than 300 particles with more that 50000 timesteps. Our results clearly show that the dissipational component is responsible for repeatedly deflecting orbits which visit often the center of the system. Moreover the gravitational potential time dependence associated with the growth of the baryonic mass, shifts the frequencies of the orbits, making them extremely chaotic. This randomization makes the orbits explore a large phase space. When this effect takes place for a significant number of orbits it will be manifested in the density distribution as an approach to a rounder configuration. As a consequence, the influence of the central mass on the shape of the phase space decreases with increasing distance from the center. We discuss the importance of future analysis of controlled experiments (i.e. using analytic potentials instead of live DM halos) to better decipher the dynamics of this phenomenon.

研究の動機と目的

• 散逸的バリオンが存在する中で観測されるダークマター核の球形化の背後にある力学的メカニズムを理解すること。
• 中心部にバリオン質量が成長する過程で、ライブな宇宙論的ダークマター核内の軌道行動と混沌の変化を調査すること。
• 時間に依存するポテンシャルの成長と軌道の偏光が、三軸的からより球形な形状への形態的変化を引き起こしているかどうかを特定すること。
• 単一の中心質量と分散したバリオンコアの両者の影響を比較し、軌道の混沌と核形状の進化に与える影響を検討すること。

提案手法

• 宇宙論的ダークマター核内のN体力学をモデル化するため、適応的時間ステップとスプラインカーネルソフトニングを備えたtreeコードであるPKDGRAVを用いた数値シミュレーション。
• 初期の軸比 b/a = 0.82、c/a = 0.71 を持つライブな三軸的ダークマター核（Mvir = 1.7×10¹² M☉、c = 9.5）を、より大きなN体シミュレーションから抽出。
• 2つの制御された実験：1つは単一の成長する中心バリオン質量を、もう1つは同総質量と成長率を持つ500個の小さな質量を核に配置。
• 50,000ステップにわたる300個の粒子の軌道追跡により、形状の進化と位相空間的挙動を分析。
• 時間に依存するポテンシャル成長に起因する軌道周波数の変化を定量化し、軌道の混沌の度合いを評価するための周波数解析の適用。
• 4つのシナリオ（散逸なし、単一中心質量、ソフトニングを施した単一質量、分散質量）における軌道の投影（x-y、y-z、x-z）の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中心部にバリオン質量が成長することで、三軸的核内のダークマター粒子の軌道はどのように変化するか？
• RQ2 バリオン質量の成長に起因する時間に依存するポテンシャルが、粒子の軌道に混沌を引き起こす程度はどの程度か？
• RQ3 なぜ核の丸みは主に中心部に限定されるのか？大半の半径では何がその影響を制限しているのか？
• RQ4 単一の中心質量と分散したバリオンコアの間で、軌道の混沌と偏光パターンはどのように異なるか？
• RQ5 非定常的ポテンシャルに起因する周波数シフトが、位相空間のランダム化をどのように駆動しているのか？

主な発見

• 散逸的バリオン成分により、中心部に近い軌道が繰り返し偏光し、その軌道が顕著に変化する。
• バリオン質量の吸収に起因する時間に依存するポテンシャル成長が、軌道周波数をシフトさせ、極めて強い混沌を引き起こし、軌道の方向がランダム化される。
• 軌道のランダム化は、位相空間への探査が拡大する結果となり、中心部の形態的傾向が球形に近づく。
• 丸みの効果は中心部に限定されるのは、振幅の大きな軌道が中心部を十分に繰り返し通過しないため、完全にランダム化されないためである。
• 中心質量が軌道の位相空間的形状に与える影響は、中心からの距離が増すにつれて弱まり、外側の核の形状が三軸的のまま残る理由が説明される。
• 単一の中心質量か分散した500個の質量のどちらのバリオン質量配置でも、結果は一貫しており、散逸と時間依存性の中心的役割が、質量分布の詳細に依存しないことが確認された。