[論文レビュー] Inverse mass cascade of self-gravitating collisionless flow and effects on halo deformation, energy, size, and density profiles.

Zhijie Xu|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、自己重力的で衝突のない系における逆質量カスケードが、径方向流れを引き起こし、ハローの歪みとハッブルに似た膨張によってコアを形成し、新たなスケール半径と有効重力指数 $n_e = -1.3$ を生じると提案する。ハローの濃度 $c = 3.5$ を導出し、二重べき法則的プロファイルによるクッション・コア遷移を説明し、幾何ブラウン運動とフォッカー・プランク方程式を用いた拡散流を組み合わせたモデルにより、グループサイズにわたるシミュレーションと一致するハローの進化をモデル化する。

ABSTRACT

Inverse mass cascade is a key feature of the intermediate statistically steady state of self-gravitating collisionless flow (SG-CFD). This paper focus on the effects of mass cascade on halo energy, momentum, size, and density. Halo with fast mass accretion has an expanding core. Mass cascade forms a new layer of mass that deforms the original halo and induces nonzero radial flow (outwards for core and inwards for outer regions). The inward/outward flow leads to an extra length scale (scale radius) that is not present in isothermal profile. Halo concentration $c=3.5$ can be derived for fast growing halos. For cusp-core controversy, a double-power-law density is proposed as a result of radial flow. The inner/outer density are controlled by halo deformation rate and halo growth, respectively. The slower deformation at center, the steeper density. For fast growing halos, radial flow at center is simply Hubble flow that leads to the existence of central core. Mass cascade leads to nonzero halo surface energy/tension and radial flow that enhances the random motion in outer region. An effective exponent of gravity $n_e=-1.3$ (not -1) is obtained due to halo surface energy. Evolution of halo size follows geometric Brownian motion and lognormal distribution. The Brownian motion of particles in randomly evolving halos leads to Fokker-Planck equations for particle distribution that is related to radial and osmotic flow. Complete solutions of particle distribution are presented based on a simple model of osmotic flow. The proposed model agrees with simulation for a wide range of halo group sizes. With reference pressure/density defined at center, equation of state can be established for relative pressure/density. The center pressure, density, and dispersion are presented. The core size $x_c$ is obtained where Hubble flow is dominant. Simple closures are proposed for self-consistent halo density.

研究の動機と目的

• 自己重力的で衝突のない系における逆質量カスケードによって、暗黒物質ハローにおけるコア形成の起源を説明すること。
• ハローの歪みと径方向流れを密度プロファイルの形状に関連付けることで、クッション・コア論争を解消すること。
• 非ゼロの径方向流れによって誘発されるため、等温モデルに存在しないスケール半径を導出すること。
• 中心を基準とする圧力と密度を用いた状態方程式を確立し、自己一貫性のある密度閉じ込めを可能にする。
• ハローのサイズ進化を幾何ブラウン運動としてモデル化し、拡散流を含むフォッカー・プランク方程式により粒子分布を導出すること。

提案手法

• 自己重力的で衝突のない流れ（SG-CFD）における逆質量カスケードをモデル化し、径方向流れ（コア部では外向き、外側領域では内向き）を導出する。
• 非ゼロの径方向流れに起因するスケール半径を導入し、等温プロファイルとは異なり、ハローの歪みと成長速度に関連付ける。
• ハロー表面エネルギー／張力のため、ニュートン重力（$n = -1$）から逸脱する有効重力指数 $n_e = -1.3$ を導出する。
• ハローのサイズ進化を幾何ブラウン運動としてモデル化し、ハロー半径が対数正規分布に従うことを示す。
• 単純な拡散流モデルを用いて、粒子分布のフォッカー・プランク方程式を解き、径方向成分と拡散成分を捉える。
• 内側／外側密度を歪み速度と成長速度に関連付ける簡単な閉じ込めを提案し、自己一貫性のあるハロー密度を実現する。

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流れにおける逆質量カスケードは、ハローのエネルギー、運動量、サイズ、密度プロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 急速に成長するハローにおける中心コアの形成原因は何か？また、径方向流れとハッブルに似た膨張とどのように関連しているか？
• RQ3 ハロー表面エネルギー／張力は有効重力指数をどのように修正するか？その値はモデル内でどのように得られるか？
• RQ4 等温プロファイルに存在しない新しいスケール半径の起源は何か？また、径方向流れとどのように関連しているか？
• RQ5 ハローのサイズ進化が幾何ブラウン運動に従う理由は何か？どのような分布に従うか？

主な発見

• 急速に成長するハローにおけるハロー濃度 $c = 3.5$ は、逆質量カスケードと径方向流れのため導出される。
• 径方向流れに起因する二重べき法則的密度プロファイルが出現し、内側密度は遅い中心部の歪みによって急峻になり、外側密度はハロー成長に支配される。
• ハッブルに似た径方向流れが支配的になるとコアが形成され、コアサイズ $x_c$ が定義される。
• ハロー表面エネルギーのため、ニュートン的重力（$n = -1$）から逸脱する有効重力指数 $n_e = -1.3$ が得られる。
• ハローのサイズ進化は幾何ブラウン運動に従い、グループサイズにわたるシミュレーションデータと一致する対数正規分布に従う。
• 拡散流と径方向流れ成分を含むフォッカー・プランク方程式により、粒子分布の完全な解が得られ、自己一貫性のある密度閉じ込めが可能になる。