[論文レビュー] Jeans Instability of Palomar 5's Tidal Tail

Alice C. Quillen, Justin Comparetta|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2010

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ひとこと要約

本論文は、パロマール5の潮汐尾に観測されたビーズ状の塊が、自己重力的星のシリンダーにおけるジーン不安定性によって引き起こされていると提唱する。観測された塊の間隔と速度分散を用いて、著者たちは塊の波長が最も成長が速いジーンモードと一致することを示し、これはクラスタの固有の分散と低濃度パラメータと整合しており、塊の形成機構としての不安定性の重要性を支持する。

ABSTRACT

Tidal tails composed of stars should be unstable to the Jeans instability and this can cause them to look like beads on a string. The Jeans wavelength and tail diameter determine the wavelength and growth rate of the fastest growing unstable mode. Consequently the distance along the tail to the first clump and spacing between clumps can be used to estimate the mass density in the tail and its longitudinal velocity dispersion. Clumps in the tidal tails of the globular cluster Palomar 5 could be due to Jeans instability. We find that their spacing is consistent with the fastest growing mode if the velocity dispersion in the tail is similar to that in the cluster itself. While all tidal tails should exhibit gravitational instability, we find that clusters or galaxies with low concentration parameters are most likely to exhibit short wavelength rapidly growing Jeans modes in their tidal tails.

研究の動機と目的

• パロマール5の潮汐尾に観測された塊が、自己重力的星のシリンダーにおける重力的ジーン不安定性によって説明可能かどうかを調査すること。
• ジーン不安定性理論を用いて、観測された塊の間隔から尾の線密度および縦方向速度分散を推定すること。
• 特に低濃度系からの潮汐尾が、急速に成長する短波長のジーン不安定性を示す条件を特定すること。
• 軌道的振動や暗黒物質の小構造とは別または補完的な観点から、潮汐流の塊形成にジーン不安定性が有効であるかどうかを評価すること。
• 軌道的または暗黒物質プロファイルの仮定に依存せずに、塊の形状から密度や速度分散といった尾の性質を直接推定する手法を提供すること。

提案手法

• 半径と密度プロファイルに摂動を加えた非回転、一様密度の星のシリンダーにおける重力不安定性の分散関係を導出する。
• シリンダーに沿った正弦的変調された質量密度からの重力ポテンシャル摂動を、修正ベッセル関数 $ K_0 $ を用いてモデル化する。
• パrameter $ q = \sigma_*^2 / (2G\mu_0) $ を用いて不安定モードの成長率を計算し、最も成長が速いモードを特定する。これはトゥームレの $ Q $ パrameterに類似している。
• パロマール5の尾における観測された塊の間隔（23.2 kpc で約800 pc）を、ジーン波長 $ \lambda_J \approx 2\pi/k_J $ と関連づけ、$ k_J r_0 \sim 0.5 $ と仮定する。
• 尾に沿った密度の時間的変化を考慮し、成長 timescale を軌道的 timescale と比較してモードの安定性を評価する。
• 密度分散や尾の半径を変化させる仮定のもとで、観測された塊の間隔が最も成長が速いモードと整合するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パロマール5の潮汐尾における塊の間隔は、ジーン不安定性の最も成長が速いモードによって説明可能か？
• RQ2 ジーン不安定性によって観測された塊の間隔を生成するには、尾でどの程度の速度分散と線密度が必要か？
• RQ3 母体クラスタの濃度パrameterは、その潮汐尾における最も成長が速いジーン不安定モードの成長率および波長にどのように影響するか？
• RQ4 どのような条件下で潮汐尾が急速で短波長のジーン不安定性に最も敏感になるか？
• RQ5 ジーン不安定性は、軌道に依存しない方法で、塊の形状から尾の性質を推定する強固な手法を提供できるか？

主な発見

• パロマール5の潮汐尾における観測された塊の間隔（約800 pc）は、速度分散が約0.3 km/sの仮定のもと、最も成長が速いジーン不安定モードと一致する波長に対応している。
• ジーンモデルから推定された速度分散は、クラスタの固有の分散（0.3 km/s）と整合しており、Odenkirchenら（2009）の観測された尾の分散（2–4 km/s）よりは低いが、妥当である。
• 観測的推定と整合する尾の線密度が得られ、ジーン不安定性モデルが妥当な説明であることを支持する。
• パロマール5のような低濃度系からの潮汐尾は、$ q $-パラメータが1に近いため、急速に成長する短波長のジーン不安定性を示すと予測される。
• すべての潮汐尾はジーン不安定性に起因するが、低濃度または弱い束縛を持つ系でのみ、急速に成長し観測可能なモードが現れる。
• ジーン不安定性モデルは、軌道的または暗黒物質プロファイルの仮定に依存せず、塊の形状から密度や速度分散といった尾の性質を直接推定する手法を提供する。