[論文レビュー] Simulating dust grain-radiation coupling on a moving mesh

R. McKinnon, Rahul Kannan+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2019

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、arepo-rt放射流体力学コードにおいて、ライブなダスト粒子を非構造的移動メッシュに結合する画期的なハイブリッド手法を提示する。自己一貫したダスト吸収率、放射圧、光子吸収、熱放射の計算により、局所的熱力学的平衡を仮定しないで、現実的なダスト-ガス-放射エネルギーおよび運動量の交換を可能にする。解析解との比較により、速度および温度の時間発展が正確に再現されている。

ABSTRACT

We present a model for the interaction between dust and radiation fields in the radiation hydrodynamic code AREPO-RT, which solves the moment-based radiative transfer equations on an unstructured moving mesh. Dust is directly treated using live simulation particles, each of which represent a population of grains that are coupled to hydrodynamic motion through a drag force. We introduce methods to calculate radiation pressure on and photon absorption by dust grains. By including a direct treatment of dust, we are able to calculate dust opacities and update radiation fields self-consistently based on the local dust distribution. This hybrid scheme coupling dust particles to an unstructured mesh for radiation is validated using several test problems with known analytic solutions, including dust driven via spherically-symmetric flux from a constant luminosity source and photon absorption from radiation incident on a thin layer of dust. Our methods are compatible with the multifrequency scheme in AREPO-RT, which treats UV and optical photons as single-scattered and IR photons as multi-scattered. At IR wavelengths, we model heating of and thermal emission from dust. Dust and gas are not assumed to be in local thermodynamic equilibrium but transfer energy through collisional exchange. We estimate dust temperatures by balancing these dust-radiation and dust-gas energy exchange rates. This framework for coupling dust and radiation can be applied in future radiation hydrodynamic simulations of galaxy formation.

研究の動機と目的

• 放射流体力学シミュレーションにおけるダスト-放射結合の物理的に正確で自己一貫したモデルの開発。
• 固定されたダストガス比や局所的熱力学的平衡を仮定するサブスケールモデルの限界を克服すること。
• ダストを反応するライブなシミュレーション粒子として扱い、放射圧および抵抗力に応じて動的に振る舞うダストの挙動を可能にすること。
• 多周波数放射場におけるダスト加熱、熱放射、光子吸収のモデリングを改善すること。
• 球状対称放射場における放射駆動ダストおよび薄層内の光子吸収を含む解析的テスト問題に対するフレームワークの妥当性の検証。

提案手法

• ダストは、質量、速度、粒径依存の断面積を持つ粒集団を表すライブなシミュレーション粒子としてモデル化される。
• 放射圧力は、粒子からガスセルへの補間されたダスト断面積を用いて計算され、ドラッグ力によって運動量がガスに転送される。
• 光子吸収は、ダスト吸収率をガスセルにカーネル平滑化補間して計算され、放射場が自己一貫的に更新される。
• arepo-rtにおけるM1閉じ込め法は多周波数放射を扱い、単一散乱によるUV/光学光子と多次散乱による赤外光子を区別する。
• ダストおよびガスの温度は独立に進化させられ、衝突過程によるエネルギー交換に加え、放射吸収および熱放射によるダスト加熱・冷却が行われる。
• 本手法はハイブリッド粒子-セルアプローチを用いる：ダスト粒子は流体力学に従って移動するが、放射は非構造的移動メッシュ上で解かれる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 球状対称放射場における放射圧がダスト粒子に与える影響を、ハイブリッド粒子-セル手法がどの程度正確に再現できるか。
• RQ2 固定された吸収率を仮定しない移動メッシュ放射流体力学コードで、ダストによる光子吸収を自己一貫してモデル化できるか。
• RQ3 非平衡状態におけるダスト-ガスエネルギー交換が、ダストおよびガスの力学的・熱的時間発展に与える影響は何か。
• RQ4 粒径分布の変化が、放射優勢環境下での放射圧および運動量転送に与える影響は何か。
• RQ5 放射圧および吸収に起因するダスト加速とガスとの速度一致を、解析解が再現できるか。

主な発見

• 定常光度源によるダスト加速の解析解が、本モデルで正確に再現された。初期段階では放射圧によりダストとガスの速度が分離し、その後ドラッグにより再び一致する。
• 光子吸収がない場合、ダストおよびガスの速度は無限に増加し、解析的予測と一致する約108 km s⁻¹の速度差を示す。
• 光子吸収を含む場合、ダストおよびガスの速度は約44 km s⁻¹で一致し、運動量転送およびエネルギー吸収の解析的解と整合的である。
• 薄層を通過する光子吸収が、光学的厚さの依存性とともに正確に再現され、解析的期待と一致する。
• 局所的熱力学的平衡を仮定しない。ダストおよびガスの温度は別々に進化させ、衝突過程によるエネルギー交換が行われる。
• 局所的な粒の存在度に基づく自己一貫したダスト吸収率の計算が可能となり、ダストガス比や分布に関する仮定を回避できる。