[論文レビュー] Interacting Galaxies with MOND

O. Tiret, F. Combes|ArXiv.org|Dec 10, 2007

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、新規の適応メッシュ細分化を用いたN体シミュレーションとポアソンソルバーを用いて、ダークマターを仮定しないモディファイド・ニュートン力学（MOND）とニュートン重力の下での銀河動力学を比較した。MONDは自然に強く、速やかに形成されるバーを生み出し、アンテナ銀河のような相互作用銀河の形態と運動学を再現できるが、動的減衰力が著しく弱いため合体時間スケールが長くなることが判明した。

ABSTRACT

We compare N-body simulations performed in MOND with analogs in Newtonian gravity with dark matter (DM). We have developed a code which solves the Poisson equation in both gravity models. It is a grid solver using adaptive mesh refinement techniques, allowing us to study isolated galaxies as well as interacting galaxies. Galaxies in MOND are found to form bars faster and stronger than in the DM model. In Newton dynamics, it is difficult to reproduce the observed high frequency of strong bars, while MOND appears to fit better the observations. Galaxy interactions and mergers, such as the Antennae, are also simulated with Newton and MOND dynamics. In the latter, dynamical friction is much weaker, and merging time-scales are longer. The formation of tidal dwarf galaxies in tidal tails are also compared in MOND and Newton+DM models.

研究の動機と目的

• 観測された銀河動力学、特に孤立および相互作用系において、ダークマターを仮定せずにMONDが再現可能かどうかを検証すること。
• ダークマターハローを伴うニュートン重力と比較して、孤立銀河における安定性およびバー形成を調査すること。
• アンテナ銀河の合体をMONDでシミュレートし、観測結果と比較して得られる形態と運動学を検証すること。
• MONDとダークマターモデルにおける潮汐矮星銀河の形成を検討すること。
• MONDとΛCDMモデルにおける動的減衰力の役割が、合体時間スケールに与える影響を評価すること。

提案手法

• MONDにおける修正ポアソン方程式を解くために、多重グリッド技術を用いたグリッドベースのポアソンソルバーを開発し、ニュートン領域とMOND領域の遷移を表す補間関数μ(x)を組み込んだ。
• 孤立および相互作用銀河の高解像度シミュレーションを可能とするため、適応メッシュ細分化を実装した。
• 同一の初期条件を用いて、MONDとダークマターハローを伴うニュートン重力の両方で直接N体シミュレーションを実行した。
• MOND重力のモデル化に、臨界加速度スケール$ a_0 = 1.2 \times 10^{-10} \, \text{m.s}^{-2} $と標準的なμ関数を用いた。
• 両モデルでアンテナ銀河の合体をシミュレートし、潮汐尾の形態、運動学、合体時間スケールを比較した。
• 両重力モデル下で、ガスディスクを含む・含まない両方のハッブル系列のシミュレーションにおいて、バーの形成と強度を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダークマターハローを仮定せず、銀河に観測される強いバーの高い頻度をMONDが再現可能か？
• RQ2 アンテナ銀河のような相互作用銀河の形態と運動学は、MONDとダークマターを伴うニュートン重力とでどのように異なるか？
• RQ3 MOND下での合体時間スケールにおける動的減衰力の役割は何か？また、ΛCDMモデルとはどのように異なるか？
• RQ4 潮汐矮星銀河は、拡張されたダークマターハローを必要とせずに、MONDにおいて自然に形成可能か？
• RQ5 異なる合体時間スケールを考慮した場合、宇宙における観測された合体率は、MONDとΛCDMモデルで一致するか？

主な発見

• MONDにおける銀河は、ダークマターモデルと比較して、より早く強くバーを形成し、ΛCDMモデルでバー頻度が予測不足であるという長年の問題を解決した。
• MONDにおいては、ガス分率が約7％を超える場合を除き、冷たいガスディスクの導入はバー形成にほとんど影響しないが、ダークマターモデルではガスがバーの強度と不安定性を増強する。
• MONDシミュレーションは、ヒバード他（2001年）の観測結果と一致する、延長された潮汐尾を含むアンテナ銀河の形態を成功裏に再現した。
• ダークマターハローが存在しないため、MONDにおける動的減衰力は著しく弱く、合体時間スケールが数ギガ年を超えることがある。
• 潮汐矮星銀河は、MONDにおいては潮汐尾の先端に自然に形成されるが、ダークマターモデルでは、その形成には拡張されたダークマターハローが必要となる。
• 宇宙の合体歴史は顕著に異なる：MONDは少ないが長期間にわたる合体を予測するが、ΛCDMはより頻繁だが短命な相互作用を予測する。