[論文レビュー] Simulating disk galaxies and interactions in Milgromian dynamics

Ingo Thies, Pavel Kroupa+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Cosmology and Gravitation Theories被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、PHANTOM of RAMSES (PoR) コードを用いてミルグロミアン動力学（MOND）における安定した銀河円盤および相互作用系のシミュレーション手法を提示する。QUMOND形式を用いて擬似ダークマターをモデル化することで、非線形重力の扱いが可能となる。本研究は、観測と一致する平坦な外側回転曲線を持つ安定した銀河のMONDベースのシミュレーションを初めて達成し、相互作用系における遅延合体と潮汐矮星銀河の形成を示した。

ABSTRACT

Since its publication 1983, Milgromian dynamics (aka MOND) has been very successful in modeling the gravitational potential of galaxies from baryonic matter alone. However, the dynamical modeling has long been an unsolved issue. In particular, the setup of a stable galaxy for Milgromian N-body calculations has been a major challenge. Here, we show a way to set up disc galaxies in MOND for calculations in the PHANTOM OF RAMSES (PoR) code by Lüghausen (2015) and Teyssier (2002). The method is done by solving the QUMOND Poisson equations based on a baryonic and a phantom dark matter component. The resulting galaxy models are stable after a brief settling period for a large mass and size range. Simulations of single galaxies as well as colliding galaxies are shown.

研究の動機と目的

• N体シミュレーションにおいてミルグロミアン動力学（MOND）の銀河円盤を安定した初期状態で構築するための手法を開発すること。
• 非線形重力のための連立ポアソン方程式を解く必要があるMONDの動力学をシミュレートする課題を克服すること。
• 現実的な動力学を再現可能な孤立および相互作用系の銀河をMONDでシミュレートする可能性を示すこと。
• 観測された銀河円盤の外側に平坦な回転曲線を再現すること。
• 相互作用中の銀河における潮汐矮星銀河の形成と安定性を調査すること。

提案手法

• QUMOND形式を用いて、MONDの非線形重力を擬似ダークマター密度分布として表現し、ニュートン的枠組みでポアソン方程式を解けるようにする。
• バリオン物質からのニュートン的加速度場を最初にニュートン的ポアソン方程式を解いて計算する。
• バリオン物質および擬似ダークマター密度を組み合わせることで、合計の重力ポテンシャルをQUMOND方程式で計算する。
• 指数的円盤プロファイルと有限な切り捨て半径を持つ初期条件を生成するため、MOND用に修正されたMK GALAXYスクリプトを用いる。
• MERGERパッチに基づくガス初期条件を含めるために、CONDINITサブルーチンを修正したPoRコードを適用する。
• PHANTOM of RAMSESコードを用いて銀河の進化をシミュレートし、時間経過に伴う粒子の運動およびガス分布の変化を追跡する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 QUMOND形式を用いることで、MONDシミュレーションにおける銀河円盤を信頼性高く初期化できるか？
• RQ2 MONDシミュレーションにおける銀河が、ダークマターハローを必要とせずに観測された平坦な外側回転曲線を再現できるか？
• RQ3 ΛCDMモデルと比較して、MONDにおける銀河の合体は、合体スケールがどのように異なるか？
• RQ4 相互作用銀河のMONDシミュレーションにおいて、潮汐矮星銀河が形成され、安定を保てるか？
• RQ5 孤立および相互作用系の銀河における長期的動的進化は、特に渦巻き構造とガス分布に関して、どのように進行するか？

主な発見

• 孤立銀河のシミュレーションでは、観測された銀河円盤と一致する平坦な外側回転曲線が得られ、モデルがMONDが回転曲線を説明できるという成功を再現していることが確認された。
• 渦巻き構造は最初の数億年以内に急速に形成され、約30億年後に弱く安定した特徴へと落ち着く。
• 相互作用銀河系は約55億年後に合体し、6回の近点通過を経て、ΛCDM予測と比較して著しく遅延した合体が確認された。
• 潮汐矮星銀河は、52億年目のシミュレーションでガスおよび星形成成分に大きな安定したクラスタとして形成された。
• 星形成成分では潮汐腕に星形成が強化され、衝突後に新しい星が形成され、シミュレーションスナップショットで明確なクラスタとして観測された。
• 本シミュレーションは、高解像度のMONDモデルが潮汐腕や衛星系といった複雑な形態的特徴を再現できることを示しており、ダークマターの代替理論としてMONDの有効性を支持する。