[論文レビュー] Stellar Migration by Short Lived Density Peaks Arising from Interference of Spiral Density Waves in an N-body Simulation

Justin Comparetta, Alice C. Quillen|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 4被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、複数のスパイラル密度波が干渉して生じる一時的で短命な密度ピークが、長期間にわたり安定した個々のスパイラル構造が存在しない状況でも、星系ディスクにおける顕著な径方向移動を駆動できることを提案している。これらの干渉によって生じるピークは、軌道時間スケールで出現・消滅するが、星がコリソナランスに捕獲されることで、離心率の変化を最小限に抑えつつ顕著な外向き移動を可能にし、個々の長期間にわたるスパイラル波による移動よりも広範かつ効率的なメカニズムを提供する。

ABSTRACT

We identify migrating stars in an N-body simulation of a Milky-Way-like disk. Outward migration can occur when a star in a low eccentricity orbit lags a short-lived local spiral arm density peak. We interpret short lived local density peaks, that appear and fade on approximately an orbital period, as arising from positive interference between spiral density wave patterns. Stars near such a peak can migrate over a significant distance in galactocentric radius during the peak lifetime, providing that the peak is sufficiently dense. Using a Gaussian bar model for the potential perturbation associated with a narrow transient spiral feature, estimates of the migration rate, angular offset between particle and spiral feature, and maximum eccentricity for migrators roughly agrees with the values measured in our simulation. When multiple spiral density waves are present, local density peaks can appear and disappear on timescales faster than the timescale estimated for growth and decay of individual waves and the peak surface density can be larger than for any individual wave. Consequently, migration induced by transient density peaks may be more pervasive than that mediated by the growth and decay of individual patterns and occurring at their corotation resonance. We discuss interpretation of transient-like behavior in terms of interfering patterns, including estimating a coherence time for features that appear due to constructive interference, their effective angular rotation rates and the speed and direction that a density maximum would move across a galaxy inducing a localized and traveling burst of star formation.

研究の動機と目的

• 複数の一時的スパイラル密度波が銀河ディスク内の星の径方向移動に与える影響を調査すること。
• スパイラル波の干渉によって生じる短命な密度ピークが、顕著な星の移動を引き起こす可能性があるかどうかを特定すること。
• 干渉によって媒介される移動が、特に恒久的なスパイラル構造が存在しない状況でも観測された径方向移動の速度とパターンを説明できるかどうかを評価すること。
• 個々の長期間にわたるスパイラル波による移動と比較して、干渉ピークによる移動の効率性と頻度を評価すること。
• ガウス型バーのポテンシャル近似を用いて、移動する星の運動学的特徴（角度ずれ、離心率の変化など）をモデル化すること。

提案手法

• 星の軌道を追跡し、移動する星を特定するため、ミルキーウェイに類似したディスクのN体ハイブリッドシミュレーションを実施する。
• 星の銀河中心からの半径および角運動量の時間的変化を分析することで、移動する星を同定する。
• 局所的密度ピークの時間的・空間的変化を分析し、その起源が波の干渉に起因することを特定する。
• 一時的特徴のポテンシャル摂動をガウス型バーのプロファイルでモデル化し、移動速度と角度ずれを推定する。
• 異なるパターン速度と巻き付き角を持つ2つのスパイラル波の重ね合わせに基づき、干渉ピークのコherenct時間、有効パターン速度、伝搬速度を推定する。
• シミュレーションで得られた移動の特徴（例：角度ずれ、離心率）をガウス型バーモデルの予測と比較し、干渉メカニズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数のスパイラル波の干渉によって生じる一時的密度ピークが、星系ディスクにおける顕著な径方向移動を引き起こすことができるか？
• RQ2 干渉ピークによる移動効率は、個々の長期間にわたるスパイラル密度波による移動と比べてどう異なるか？
• RQ3 干渉ピークを介して移動する星の運動学的特徴（例：角度ずれ、離心率）は何か？また、それらは単純なポテンシャルモデルで再現可能か？
• RQ4 干渉ピークの有効パターン速度と伝搬速度は、干渉するスパイラル波の性質にどのように依存するか？
• RQ5 スパイラル波の干渉が、特に恒久的なスパイラル構造が存在しない状況でも、シミュレーションで観測された径方向移動イベントの頻度と空間的分布を説明できるか？

主な発見

• 約1つの軌道周期にわたる短命な局所的密度ピークが、複数のスパイラル密度波の強め合い干渉によって生じ、顕著な径方向移動を引き起こすことがある。
• これらの干渉ピークの周辺にいる星は、ピークの表面密度が十分に高い場合、ピークの寿命中において顕著な銀河中心からの距離の移動を経験することができる。
• 個々のスパイラル波がコリソナランスに強くない場合でも、干渉ピークによる移動メカニズムは機能し、径方向移動の発生範囲を広げる。
• ポテンシャル摂動のガウス型バーモデルは、シミュレーションで測定された主要な移動特徴（移動速度、星と特徴の間の角度ずれ、最大離心率）をうまく再現している。
• 干渉ピークは、個々の波よりも高い表面密度と速い有効回転速度を示すことができ、そのコherenct時間は個々の波の成長・減衰時間スケールよりも短い。
• 干渉によって媒介される移動は、個々のスパイラルパターンによる移動よりも頻度が高く、効率的である可能性があり、銀河ディスク進化における時間スケール問題の解決に寄与する可能性がある。