[論文レビュー] On the evolution of shape in N-body simulations

Ch. Theis, Rainer Spurzem|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、特別なGRAPEおよびHARPコンピュータを用いて、冷たい、散乱のないN体系の形状進化を調査し、3つの明確な段階を明らかにした。最初に、半径方向軌道不安定性と最大の三軸性を引き起こす急激な収縮が生じ、その後、暴力的かつ2体緩和が軸対称性へ、最終的には球対称性へ向かう。主な発見は、ソフトニングを適切に考慮した場合、長期間の形状緩和 timescale が2体緩和 timescale と非常に一致することであり、コアの振動が暴力的緩和の原因であると特定された。

ABSTRACT

A database on shape evolution of direct N-body models formed out of cold, dissipationless collapse is generated using GRAPE and HARP special purpose computers. Such models are important to understand the formation of elliptical galaxies. Three dynamically distinct phases of shape evolution were found, first a fast dynamical collapse which gives rise to the radial orbit instability (ROI) and generates at its end the maximal triaxiality of the system. Subsequently, two phases of violent and two-body shape relaxation occur, which drive the system first towards axisymmetry, finally to spherical symmetry (the final state, however, is still much more concentrated than the initial model). In a sequence of models the influence of numerical and physical parameters, like particle number, softening, initial virial ratio, timestep choice, different N-body codes, are examined. We find that an improper combination of softening and particle number can produce erroneous results. Selected models were evolved on the secular timescale until they became spherically symmetric again. The secular shape relaxation time scale is shown to agree very well with the two-body relaxation time, if softening is properly taken into account for the latter. Finally, we argue, that the intermediate phase of violent shape relaxation after collapse is induced by strong core oscillations in the centre, which cause potential fluctuations, dampening out the triaxiality.

研究の動機と目的

• 楕円銀河形成に関連する冷たい、散乱のないN体系の形状の動的進化を理解すること。
• 三軸性から球対称性への形状緩和を駆動する物理的メカニズムを特定すること。
• 粒子数、ソフトニング、タイムステップなどの数値パラメータが、形状進化シミュレーションの正確性と信頼性に与える影響を評価すること。
• ソフトニングを適切に考慮した条件下で、長期間の形状緩和 timescale と2体緩和 timescale の関係を検証すること。

提案手法

• 冷たい、散乱のない収縮を高精度でモデル化するため、GRAPEおよびHARP専用コンピュータを用いたシミュレーションを実施した。
• 粒子数、ソフトニング長、初期バイナル比、タイムステップの選択を変化させたN体モデルのデータベースを構築した。
• 異なる実装での一貫性と数値的安定性を検証するために、複数のN体コードを用いた。
• 時間経過に伴う主軸比と三軸性指標を用いて、形状進化を追跡した。
• 観察された長期間の形状緩和 timescale と比較するため、適切なソフトニング補正を施した2体緩和 timescale を計算した。
• コアの振動とポテンシャルの揺らぎを分析し、暴力的形状緩和におけるその役割を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たい、散乱のないN体系の形状進化には、どのような明確な動的段階が存在するか？
• RQ2 コアの振動とポテンシャルの揺らぎは、収縮後の暴力的形状緩和にどのように寄与するか？
• RQ3 ソフトニングや粒子数といった数値パラメータが、形状進化シミュレーションの正確性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 ソフトニングを適切に考慮した場合、長期間の形状緩和 timescale は2体緩和 timescale と一致するか？
• RQ5 これらの系で三軸性から球対称性への転移を引き起こす要因は何か？

主な発見

• 3つの明確な形状進化段階が特定された：半径方向軌道不安定性と最大の三軸性を引き起こす急激な動的収縮、その後に続く暴力的緩和と2体緩和の段階。
• 系は三軸性から軸対称性へ、最終的には球対称性へ進化するが、最終状態は初期モデルよりも著しく集中している。
• ソフトニングと粒子数の不適切な組み合わせは、N体シミュレーションで誤った結果をもたらす可能性がある。
• ソフトニングを適切に計算に組み込んだ場合、長期間の形状緩和 timescale は2体緩和 timescale と非常によく一致する。
• 暴力的形状緩和の中間段階は、強いコアの振動が引き起こすポテンシャルの揺らぎによって駆動されており、これが三軸性を減衰させる。
• コアの振動が、収縮後に発生する暴力的緩和を引き起こす主な物理的メカニズムであると特定された。