[論文レビュー] Inverse energy cascade in self-gravitating collisionless dark matter flow and effects of halo shape

Zhijie Xu, Xu|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、自己重力的で衝突のないダークマターの流れにおいて、逆エネルギークウェイクが小スケールから大スケールへ運動エネルギーを転送するメカニズムを提案している。このプロセスは、大スケールから小スケールへの直接的ポテンシャルエネルギーのクウェイクによって維持されており、連続的な質量吸収とハロー構造の進化に起因する。ハローは時間とともに球対称に近づき、形状の変化に加え、一貫した径方向および回転運動が逆クウェイクを促進する。

ABSTRACT

Halo-mediated mass and energy cascades are key to understand dark matter flow. Both cascades origin from the mass exchange between halo and out-of-halo sub-systems. Kinetic energy can be from the motion of halos and particle motion in halos. Similarly, potential energy can be due to the inter- and intra-halo interactions. Intra-halo virial equilibrium is established much faster than inter-halo. Change of energy of entire system comes from virilization in halos. At statistically steady state, continuous mass exchange is required to sustain growth of total halo mass $M_h\propto a^{1/2}$ and energy $E\propto a^{3/2}$, where $a$ is scale factor. Inverse cascade is identified for kinetic energy that is transferred from the smallest scale to large mass scales. This is sustained by the direct cascade of potential energy from large to small scale. Both energies have a scale- and time-independent flux in propagation range that is proportional to mass flux. Energy cascade is mostly facilitated by mass cascade, which can be quantitatively described by mass accretion of typical halos. Halo radial, angular momentum, and angular velocity are modelled and inverse cascade is identified for the coherent radial and rotational motion in halos. In turbulence, vortex stretching (shape changing) along its axis of spin enables energy cascade from large to small length scales. However, change in halo shape is not the dominant mechanism for energy cascade as the moment of inertial gained from shape changing is less than 2 times. Large halos exhibit preference for prolateness over oblateness and most halos have spin axis perpendicular to major axis. Since mass cascade is local in mass space, halo shape evolves continuously in mass space with halos formed by incrementally inheriting structure from progenitor halos. A unique evolution path of halos is found that gradually approaches sphere with increasing size.

研究の動機と目的

• 自己重力的で衝突のないダークマターの流れにおけるエネルギーおよび質量クウェイクの駆動メカニズムを理解すること。
• ハローの形状がエネルギークウェイクダイナミクスに与える影響と、エネルギー転送におけるバーリアリゼーションの役割を調査すること。
• 統計的定常状態におけるハロー質量（M_h ∝ a^{1/2}）およびエネルギー（E ∝ a^{3/2}）の観察されたスケーリング則を説明すること。
• ダークマターハローにおけるエネルギークウェイクプロセスにおいて、形状変化と質量吸収のどちらが支配的であるかを特定すること。
• ハローの角運動量、径方向運動、スピン軸の向きをモデル化し、逆クウェイクを維持する一貫した流れ構造を同定すること。

提案手法

• ハローの質量吸収を質量空間における局所的プロセスとしてモデル化し、ハローが前身から段階的に構造を引き継ぐものとする。
• スケール因子aを時間変数として用い、全ハロー質量およびエネルギーの進化を記述する。定常的成長を仮定する。
• 運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギー領域におけるエネルギーフラックスを分析し、運動エネルギーにおける逆クウェイクとポテンシャルエネルギーにおける直接的クウェイクを同定する。
• 慣性モーメントの変化を用いてハロー形状の役割を定量化し、形状変形がエネルギー転送に顕著に寄与するかどうかを評価する。
• ハロー内における一貫した径方向および回転運動をシミュレートし、逆エネルギークウェイクを可能にする条件を同定する。
• 統計力学および流体力学のアナロジーをダークマターの流れに適用し、ハローを自己重力的で衝突のない系として扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己重力的で衝突のないダークマターの流れにおける逆エネルギークウェイクは、何によって駆動され、時間経過にわたってどのように維持されるのか？
• RQ2 縦長（プロライト）または扁平（オブレイト）な形状の変化が、質量吸収と比較してエネルギークウェイクの効率に与える影響は何か？
• RQ3 バーリアリゼーションおよびハロー内とハロー外のサブシステム間の質量交換が、エネルギーおよび質量の増加を維持する上で果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ大規模ハローは縦長形状を好み、スピン軸が主要軸と一致する場合にエネルギークウェイクにどのように影響するのか？
• RQ5 エネルギークウェイクフラックスがスケールおよび時間に依存しない程度はどの程度で、システム内の質量フラックスとどのように関係しているのか？

主な発見

• 逆エネルギークウェイクにより、運動エネルギーが小スケールから大スケールへ転送され、大スケールから小スケールへの直接的ポテンシャルエネルギークウェイクによって維持される。
• 運動エネルギーおよびポテンシャルエネルギー領域におけるエネルギーフラックスは、伝播範囲内でスケールおよび時間に依存せず、質量フラックスに比例する。
• ハロー質量の増加は M_h ∝ a^{1/2} に従い、エネルギーの増加は E ∝ a^{3/2} に従う。これは統計的定常状態および連続的質量吸収と整合的である。
• ハロー形状の進化は質量空間で連続的であり、ハローが大きくなるにつれて徐々に球対称に近づく。
• 形状変化に起因する慣性モーメントの増加は2倍未満であり、形状変形がエネルギークウェイクの主なメカニズムではないことを示唆する。
• 大多数のハローはスピン軸を主要軸に対して垂直に保ち、大規模ハローでは縦長形状が扁平形状よりも好まれる傾向がある。