[論文レビュー] Radiative shocks in galaxy formation. I: Cooling of a primordial plasma with no sources of heating

M. I. Forcada-Miro, S. D. M. White|ArXiv.org|Dec 16, 1997

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、1次元ラグランジュアンコードを用いて、原始的物質の星形成過程における放射冷却衝撃波を調査している。100 km/sを超える円運動速度を示す系ではブレムストラール冷却が支配的であり、衝撃波および冷却波の高精度な解析的モデル化が可能である一方、線スペクトル冷却では衝撃波前端の増大する振動が生じ、解析的予測の可能性が制限される。

ABSTRACT

We use a 1-D Lagrangian code which follows both a gaseous and a dark component to study the radiative shocks that appear in the evolution of spherical scale-free perturbations in an Einstein-de Sitter Universe. The detailed behaviour of the shock depends on whether the radiative cooling is dominated by bremsstrahlung or line cooling. Bremsstrahlung is the main energy loss mechanism for systems with circular velocity $V_{c} > 100 km s^{-1}$. In this case, we can reproduce the kinematics of the shock and of the cooling wave to a high degree of accuracy with a simple analytic model. When line cooling dominates, the shock front can be unstable to oscillations. The period and amplitude of the oscillations increase in time as the universe expands. For such systems, our analytic model provides only a rough estimate of the mean evolution. We believe that now we fully understand the effect radiative cooling has in the shocks that appear in spherical models for galaxy formation.

研究の動機と目的

• 原始的物質における星形成過程における放射冷却が衝撃波ダイナミクスに与える役割を理解すること。
• ブレムストラール冷却と線スペクトル冷却という異なる冷却機構が、衝撃波構造および安定性に与える影響を特定すること。
• さまざまな冷却条件のもとで、解析的モデルが衝撃波の進化をどの程度正確に予測できるかを評価すること。
• 宇宙膨張が線スペクトル冷却によって駆動される衝撃波の振動に与える影響を調査すること。
• アインシュタイン＝ド・シータ宇宙論的モデルにおける球対称かつスケールフリーな摂動における衝撃波挙動を解釈する包括的フレームワークを提供すること。

提案手法

• 1次元ラグランジュアン流体力学コードを用いて、アインシュタイン＝ド・シータ宇宙論的モデルにおける球対称かつスケールフリーな摂動をシミュレートする。
• 重力的収縮と衝撃波形成を同時にモデル化するため、気体成分とダークマター成分の両方を追跡する。
• 詳細な放射冷却プロセスを組み込み、ブレムストラール冷却と線スペクトル冷却のメカニズムを区別する。
• 数値結果と比較するための解析的モデルを適用し、特に衝撃波の運動学および冷却波の伝播に注目する。
• 線スペクトル冷却が支配的である状況における衝撃波振動の時間的進化を分析し、特に周期と振幅の増大を検討する。
• 簡易モデルの正確性と限界を評価するために、数値結果を解析的近似と照合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 放射冷却は、星形成過程における原始的物質の衝撃波形成および構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ブレムストラール冷却が衝撃波冷却機構において線スペクトル冷却を上回る条件は何か？
• RQ3 ブレムストラール冷却が存在する状況で、解析的モデルが衝撃波および冷却波の運動学をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 線スペクトル冷却が支配的である場合、衝撃波前端の振動はどのような原因で生じ、その性質は時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ5 宇宙膨張は、線スペクトル冷却が支配的な衝撃波における振動の増大にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 円運動速度が100 km/sを超える系ではブレムストラール冷却が支配的であり、解析的モデルを用いて衝撃波および冷却波の運動学を高精度で再現可能である。
• 線スペクトル冷却が支配的となる系では、衝撃波前端が不安定化し、時間の経過とともに周期および振幅が増大する振動を示す。
• 振幅および周期の増大は、拡張する背景場に起因し、時間依存の不安定性メカニズムを示している。
• 線スペクトル冷却が支配的となる系では、複雑な振動的衝撃波ダイナミクスのため、解析的モデルは平均的進化を粗くしか推定できない。
• 本研究は、放射冷却が球対称な星形成モデルにおける衝撃波挙動を根本的に規定しており、支配的冷却プロセスに応じて異なる結果が得られることを確認した。
• 数値シミュレーションは、冷却機構の遷移（ブレムストラール冷却対線スペクトル冷却）が、衝撃波進化の安定性および予測可能性を決定づけることを示した。