[論文レビュー] The formation of disk galaxies in computer simulations

Lucio Mayer, Fabio Governato+1 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jan 25, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ΛCDMフレームワーク内での円盤銀河形成の宇宙論的シミュレーションをレビューしており、空間的・質量的高解像度に加え、超新星およびブラックホールからの現実的なフィードバックが、不自然な角運動量損失や人工的なバルジ形成を回避する安定した指数的円盤銀河を形成するために不可欠であることを強調している。主な貢献は、現象論的フィードバックモデルが、くさび型のバリオン的密度プロファイルを是正し、現実的な円盤形態を可能にできることである。

ABSTRACT

The formation of disk galaxies is one of the most outstanding problems in modern astrophysics and cosmology. We review the progress made by numerical simulations carried out on large parallel supercomputers. Recent progress stems from a combination of increased resolution and improved treatment of the astrophysical processes modeled in the simulations, such as the phenomenological description of the interstellar medium and of the process of star formation. High mass and spatial resolution is a necessary condition in order to obtain large disks comparable with observed spiral galaxies avoiding spurious dissipation of angular momentum. A realistic model of the star formation history. gas-to-stars ratio and the morphology of the stellar and gaseous component is instead controlled by the phenomenological description of the non-gravitational energy budget in the galaxy. We show that simulations of gas collapse within cold dark matter halos including a phenomenological description of supernovae blast-waves allow to obtain stellar disks with nearly exponential surface density profiles as those observed in real disk galaxies, counteracting the tendency of gas collapsing in such halos to form cuspy baryonic profiles. However, the ab-initio formation of a realistic rotationally supported disk galaxy with a pure exponential disk in a fully cosmological simulation is still an open problem. We argue that the suppression of bulge formation is related to the physics of galaxy formation during the merger of the most massive protogalactic lumps at high redshift, where the reionization of the Universe likely plays a key role. A sufficiently high resolution during this early phase of galaxy formation is also crucial to avoid artificial angular momentum loss (Abridged).

研究の動機と目的

• ΛCDM宇宙論的モデルの文脈において、回転支持型円盤銀河の形成を理解すること。
• 観測された渦巻銀河に類似した大きな安定した円盤を形成するために必要な物理的条件——特に解像度とフィードバック機構——を同定すること。
• 長年の謎である、シミュレーション銀河が観測と対照的に過度に集中した（くさび型の）円盤や人工的なバルジを形成する理由を解明すること。
• 初期の合体イベント、再電離、およびフィードバックの役割が、バルジのない円盤銀河の形成を抑制・促進する仕組みを評価すること。
• 衛星銀河の相互作用、断熱収縮、および寒冷降着が、円盤の安定性と形態に与える影響を評価すること。

提案手法

• 並列スーパーコンピュータ上での大規模な宇宙論的N体および滑らか化粒子流体力学（SPH）シミュレーションを用いる。
• 初期の円盤形成段階における不自然な角運動量損失を最小限に抑えるために、高質量および高空間解像度を実装する。
• 星形成とガス冷却を制御するため、超新星フィードバックおよびエネルギー注入の現象論的モデルを用いる。
• 星の爆発からの熱的および力学的フィードバックを含む、星間媒体（ISM）の小スケールパラメータ化を実装する。
• フィードバックの有無にかかわらず、寒冷ダークマターハロー内でのガス崩壊をシミュレートし、フィードバックの円盤構造への影響を分離する。
• 断熱収縮および寒冷降着が、ハローのポテンシャルの進化、円盤のサイズおよび回転曲線に与える影響を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的な宇宙論的シミュレーションでは、指数的表面密度プロファイルを持つ大きな安定した円盤が形成されないのか？
• RQ2 超新星フィードバックは、回転支持型円盤の形成にどのように寄与し、くさび型のバリオン的密度プロファイルの発生を防ぐのか？
• RQ3 高解像度シミュレーションが、初期銀河形成段階における不自然な角運動量損失および不自然なバルジ形成を抑制する役割を果たすのか？
• RQ4 初期の合体および再電離は、バルジのない円盤銀河の形成にどのように影響するのか？
• RQ5 衛星銀河からの潮汐的相互作用が、階層的構造形成の過程で円盤を加熱し、その形態を破壊する程度はどの程度か？

主な発見

• 不自然な角運動量損失を回避し、観測された渦巻銀河に類似した大きな安定した円盤を形成するためには、高質量および高空間解像度が不可欠である。
• 現象論的超新星フィードバックは、寒冷ダークマターハロー内のガスがくさび型のバリオン的密度プロファイルを形成する傾向を是正し、ほぼ指数的表面密度プロファイルの実現を可能にする。
• 完全な宇宙論的シミュレーションにおいて純粋な指数的円盤を初めから形成することは、フィードバックモデルの進展にもかかわらず、未解決の問題のままである。
• バルジの形成抑制は、高赤方偏移における合体の物理的性質および宇宙の再電離に起因し、ガス冷却および星形成の制御に寄与する可能性がある。
• 断熱収縮モデルは、過剰に速い回転曲線を予測し、Tully-Fisher則と一致しないことから、3次元宇宙論的崩壊への適用における限界を示唆している。
• 衛星からの潮汐的相互作用は、円盤を加熱し、スケール高さを増加させ、バー不安定を引き起こすが、解像度およびフィードバックの制限のため、円盤の長期的存続性は不確かである。