[論文レビュー] The angular momentum of baryons and dark matter halos revisited

Taysun Kimm, Julien Devriendt+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 44

ひとこと要約

本研究は、適応メッシュリファインメント（AMR）を用いた高解像度の宇宙論的流体力学シミュレーションを用いて、銀河形成における角運動量の輸送を再検討した。その結果、冷たいガスフィラメントは吸着時にダークマター・ハロー全体よりも顕著に高い比角運動量を運び、それが中心領域（r ≤ 0.1 Rvir）に直接注入されることを明らかにした。一方、ダークマター粒子は影響を受けない。このように異なる輸送が生じるにもかかわらず、全バリオン成分の比角運動量はダークマター・ハローのそれとほぼ同一であり、シミュレーションで現実的な星団ディスクの形成が可能になる。これは、銀河形成モデルにおけるガスとダークマターの角運動量が等しいという標準仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Recent theoretical studies have shown that galaxies at high redshift are fed by cold, dense gas filaments, suggesting angular momentum transport by gas differs from that by dark matter. Revisiting this issue using high-resolution cosmological hydrodynamics simulations with adaptive mesh refinement, we find that at the time of accretion, gas and dark matter do carry a similar amount of specific angular momentum, but that it is systematically higher than that of the dark matter halo as a whole. At high redshift, freshly accreted gas rapidly streams into the central region of the halo, directly depositing this large amount of angular momentum within a sphere of radius r=0.1rvir. In contrast, dark matter particles pass through the central region unscathed, and a fraction of them ends up populating the outer regions of the halo (r/rvir>0.1), redistributing angular momentum in the process. As a result, large-scale motions of the cosmic web have to be considered as the origin of gas angular momentum rather than its virialised dark matter halo host. This generic result holds for halos of all masses at all redshifts, as radiative cooling ensures that a significant fraction of baryons remain trapped at the centre of the halos. Despite this injection of angular momentum enriched gas, we predict an amount for stellar discs which is in fair agreement with observations at z=0. This arises because the total specific angular momentum of the baryons remains close to that of dark matter halos. We propose a new scenario where gas efficiently carries the angular momentum generated by large-scale structure motions deep inside dark matter halos, redistributing it only in the vicinity of the disc.

研究の動機と目的

• ハロー内のガスとダークマターが等しい比角運動量を持つという標準仮定を再評価すること。
• 宇宙時間にわたるバリオンとダークマターの角運動量の起源と進化を調査すること。
• ガスとダークマターの間の角運動量分離が、ハロー質量や赤方偏移に依存するかどうかを特定すること。
• この分離が現実的な星団ディスクの形成および観測されたスケーリング関係に与える影響を評価すること。
• 準拡張ハロー内での角運動量保存に基づく古典的銀河形成理論に反論すること。

提案手法

• 冷たいガスフィラメントおよびその吸着ダイナミクスを解像度高く解明するため、適応メッシュリファインメント（AMR）を用いた高解像度の宇宙論的流体力学シミュレーション。
• ハロー形成を多様な質量および赤方偏移範囲でモデル化するため、Nut、Cosmo25、Cosmo50のシミュレーション・スイートを用いる。
• ディスク形成領域に特化するため、中心領域（r ≤ 0.1 Rvir）を定義する。
• バーリアスドハローおよびその内部領域におけるガス、星、ダークマターの比角運動量（j）を比較する。
• 赤方偏移およびハロー質量に応じた角運動量の進化をモデル化するため、フィッティング関数（式3）を適用する。
• 大規模銀河団の運動から、冷流を介した中心銀河への角運動量輸送を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸着時のガスが運ぶ比角運動量の起源は、ダークマター・ハローのそれと比べてどこにあるのか？
• RQ2 吸着時およびハロー中心部（r ≤ 0.1 Rvir）内でのガスの比角運動量は、ダークマターと比べてどの程度か？
• RQ3 ガスとダークマターの間の角運動量分離は、ハロー質量や赤方偏移に依存するか？
• RQ4 ガスとダークマターの角運動量に顕著な差があるにもかかわらず、全バリオン成分の比角運動量がダークマター・ハローのそれとほぼ同一のままであるのはなぜか？
• RQ5 冷たいガスの吸着が、現実的な星団ディスクおよび観測されたスケーリング関係の形成にどのように影響するか？

主な発見

• 吸着時、ガスはハロー全体のダークマターと比べて顕著に高い比角運動量を運び、中心領域（r ≤ 0.1 Rvir）では最大で2倍の値を示す。
• 冷たいガスフィラメントは迅速にハロー中心へ流入し、その高い角運動量を直接内部ハローに供給するが、ダークマター粒子は無事に通過する。
• ダークマター・ハローは時間経過とともに比角運動量の絶対値を半分から三分の二程度まで失うが、全バリオン成分の角運動量はダークマター・ハローのそれとほぼ同一のままである。
• シミュレーションにおける星団ディスクは、初期段階でのガスとダークマターの角運動量の不均衡にもかかわらず、z=0における観測値と良好に一致する比角運動量を達成している。
• ガスとダークマターの間の角運動量の差は、損失の差によるものではなく、大規模銀河団の運動から生じる冷流による効率的な内向き角運動量輸送に起因する。
• 準拡張ハロー内でのガスとダークマターが等しい比角運動量を持つという標準仮定は誤りであり、ディスク形成理論の大規模な見直しが必要である。