[論文レビュー] Spiral and Bar Instabilities Provoked by Dark Matter Satellites

John Dubinski, Jean-René Gauthier+2 more|ArXiv.org|Feb 27, 2008

CCD and CMOS Imaging Sensors被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、高解像度N体シミュレーションを用いて、ΛCDM宇宙論において一般的に見られる暗黒物質の衛星衝突が、星のディスクにおけるスパイラル構造およびバーバー不安定性を直接励起することを示した。垂直方向の加熱は最小限であるが、衛星通過によって顕著な方位角方向の加熱とディスクのフラーリングが引き起こされ、中心部での衝突はバーバー形成を引き起こす。これにより、重力的摂動によって暗黒衛星が定常的ディスク進化の主要因であることが明らかになった。

ABSTRACT

We explore the secular dynamical evolution of an N-body model of M31 in the presence of a population of 100 dark matter satellites over 10 Gyr. The satellite population has structural and kinematic characteristics modelled to follow the predictions of Lambda-CDM cosmological simulations. Vertical disk heating is a small effect despite many interactions with the satellite population with only a 20% increase in vertical velocity dispersion sigma_z and the disk scale height z_d at the equivalent solar radius R = 2.5R_d . However, the stellar disk is noticeably flared after 10 Gyr with z_d nearly doubling at the disk edge. Azimuthal disk heating is much larger with sigma_R and sigma_z both increasing by 1.7x. However, in a control experiment without satellites dispersion increases by 1.5x suggesting that most of the effect is due to heating through scattering off of spiral structure excited by swing-amplified noise. Surprisingly, direct impacts of satellites on the disk can excite spiral structure with a significant amplitude and in some cases impacts close to the disk center also induce the bar instability. The large number of dark matter satellite impacts expected over a galaxy's lifetime may be a significant source of external perturbations for driving disk secular evolution.

研究の動機と目的

• 宇宙論的に妥当な暗黒物質衛星の集団が、スパイラル銀河ディスクの定常的進化に与える力学的影響を調査すること。
• 衛星相互作用によって引き起こされるディスク加熱（垂直方向および方位角方向）を定量化し、スイング増幅などの内在的不安定性とは区別すること。
• 直接的な衛星通過が、スパイラル構造およびバーバー不安定性を引き起こす可能性があるかどうかを検証し、それらの特徴が内部プロセスのみから生じるという見解に挑戦すること。
• 衛星衝突が、ディスクの形態的特徴（フラーリング、速度分散の増大など）を10 Gyrの時間スケールでどのように形作るかを評価すること。

提案手法

• 観測された回転曲線および表面輝度プロファイルに一致するように調整された、指数的ディスク、Hernquistバルジ、NFW暗黒ハローを含む、3500万粒子の高解像度N体モデルを用いてM31をシミュレートした。
• ΛCDM宇宙論的シミュレーションから得た質量関数、半径分布、潮汐半径、内部構造をもとに、100個の暗黒物質衛星の集団を生成した。
• エネルギーおよび角運動量の保存を確保するため、固定されたプラマーソフトニング（ε = 15 pc）を用いた並列化された木構造コードを用い、20,000ステップ（Δt = 0.49 Myr）の時間ステップを実行した。
• 加熱効果を内在的ディスク不安定性（例：スイング増幅ノイズ）とは分離するために、衛星なしのコントロールシミュレーションを実施した。
• 再現性および統計的有意性を検証するため、450万粒子を用いた追加のシミュレーションと、統計的に独立した衛星集団を用いた実験を実施した。
• 空間的および時間的診断を用いて、時間経過に伴うディスク運動学（σ_R, σ_z）、スケール高さ（z_d）、および形態的特徴（スパイラル構造、バーバー形成）を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高解像度N体シミュレーションにおいて、暗黒物質衛星の衝突がディスクの垂直方向および方位角方向の加熱にどの程度寄与するか。
• RQ2 直接的な衛星通過が、内部ディスクノイズとは独立して、スイング増幅機構を介してグローバルなスパイラル構造を励起できるか。
• RQ3 中心部での衛星衝突が、もともと安定なディスクにバーバー不安定性を引き起こすか。もしそうならば、そのために必要な質量および衝突半径は何か。
• RQ4 衛星由来の摂動の周波数および振幅が、ディスク進化を形作る上で、内部ディスク不安定性由来のものと比較してどう異なるか。
• RQ5 10 Gyrの期間にわたり、繰り返しの低質量衛星衝突が、ディスクのフラーリングおよび速度分散の増大に及ぼす累積的効果は何か。

主な発見

• 衛星衝突による垂直方向のディスク加熱は最小限であり、100回の衛星衝突にもかかわらず、R = 2.5R_dにおけるσ_zは20%増加、z_dは20%増加にとどまる。
• 方位角方向の加熱は顕著で、σ_Rおよびσ_zの両方が衛星衝突によって1.7倍に増加したが、コントロールシミュレーションでも内部不安定性のみで1.5倍の増加が観測された。
• ディスクのフラーリングは顕著で、衛星由来の摂動により、ディスク端縁部（R ≈ 2R_d）における垂直スケール高さz_dはほぼ2倍に増大した。
• 直接的な衛星通過は、スイング増幅機構を介して、グランドデザインスパイラルとは異なる強力で多腕構造のスパイラル構造を励起できる。
• 質量が大きな衛星（例：~10^9 M⊙、またはLMCサイズ）との中心部衝突は、10回のシミュレーションのうち5回でバーバー不安定性を誘発した。これは、衛星衝突とバーバー形成との間の因果関係を示している。
• 質量が10^9 M⊙程度の衛星衝突ですでに観測可能なスパイラル構造を励起できるため、繰り返しの低質量衝突が、ディスク銀河におけるグローバルなスパイラル構造の維持に寄与している可能性がある。