[論文レビュー] Thermodynamic evolution of cosmological baryonic gas: I. Influence of non-equipartition processes

S. Courty, Jean‐Michel Alimi|ArXiv.org|Dec 19, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 31被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、電子、イオン、中性粒子間の非等分配過程を明示的にモデル化したN体/流体ダイナミクスシミュレーションを用いて、宇宙論的バリオンガスの熱力学的進化を調査した。その結果、高温赤方偏移域の低質量構造における国際銀河間媒体（IGM）が、熱的平衡からの逸脱によって顕著に温められることを明らかにした。主な結果として、非等分配効果が温暖化（10⁴–10⁶ K）および弱いイオン化IGMの割合を増加させ、バリオンの冷却を遅らせ、結果として銀河形成の効率を変化させる可能性がある。

ABSTRACT

Using N-body/hydrodynamic simulations, the influence of non-equipartition processes on the thermal and dynamical properties of cosmological baryonic gas is investigated. We focus on a possible departure from equilibrium between electrons, ions and neutral atoms in low temperature (10^4-10^6 K) and weakly ionized regions of the intergalactic medium. The simulations compute the energy exchanges between ions, neutrals and electrons, without assuming thermal equilibrium. They include gravitation, shock heating and cooling processes, and follow self-consistently the chemical evolution of a primordial composition hydrogen-helium plasma without assuming collisional ionization equilibrium. At high redshift, a significant fraction of the intergalactic medium is found to be warmer and weakly ionized in simulations with non-equipartition processes than in simulations in which the cosmological plasma is considered to be in thermodynamic equilibrium. With a semi-analytical study of the out of equilibrium regions we show that, during the formation of cosmic structures, departure from equilibrium in accreted plasma results from the competition between the atomic cooling processes and the elastic processes between heavy particles and electrons. Our numerical results are in agreement with this semi-analytical model. Therefore, since baryonic matter with temperatures around 10^4 K is a reservoir for galaxy formation, non-equipartition processes are expected to modify the properties of the objects formed.

研究の動機と目的

• 電子、イオン、中性粒子間の非等分配プロセスが、大規模構造形成における宇宙論的バリオンガスの熱力学的進化に与える影響を理解すること。
• 非平衡エネルギー交換が、特に低質量構造における国際銀河間媒体（IGM）の熱的および力学的性質に与える影響を評価すること。
• 弱いイオン化、低温度プラズマ（10⁴–10⁶ K）における熱的平衡からの逸脱が、バリオンの冷却および加熱速度に与える影響を特定し、銀河形成のためのバキュームに与える影響を評価すること。
• 非平衡プラズマにおける緩和 timescale の半解析的モデルを構築し、数値結果を検証すること。
• 非等分配効果が、冷たいバリオン質量分率およびIGM温度分布に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 衝突電離平衡を仮定しない、初期のH-Heプラズマの重力、衝撃加熱、放射冷却、化学的進化を自己一貫的に含むEuler形式のN体/流体ダイナミクスコードを用いたシミュレーション。
• 電子、イオン、中性粒子のそれぞれに別個の運動温度を追跡し、熱的等分配の仮定を回避した。
• 電子と重粒子間の緩和 timescale を推定するための半解析的モデルを構築し、電子冷却と重粒子による加熱の競合に基づく。
• モデルはイオン化度を関数として電子対重粒子温度比をパラメータ化し、数値結果と照合した。
• 非等分配（S₃T）と熱的平衡を強制する（S₁T）シミュレーションの比較分析を行い、温度、イオン化度、質量分率分布に注目した。
• 非平衡プラズマ領域の安定性および進化を評価するため、冷却および力学的 timescale を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子、イオン、中性粒子間の熱的平衡が欠如している場合、低質量構造における国際銀河間媒体（IGM）の温度およびイオン化状態にどのような影響を与えるか？
• RQ2 構造形成の過程で、弱いイオン化、低温度プラズマ（10⁴–10⁶ K）において、熱的平衡からの逸脱を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 非平衡領域における電子と重粒子間の緩和 timescale は、ハッブル時間と比較してどの程度の大きさであり、その大きさを決定する要因は何か？
• RQ4 非等分配挙動が、冷たい（T < 1.7×10⁴ K）および温暖な（T ~ 3×10⁴–5×10⁵ K）状態におけるバリオン質量分率にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 熱的平衡を強制するかしないかに応じて、IGMの熱力学的性質にどのような差が生じるか？

主な発見

• 熱的平衡を仮定しないシミュレーション（S₃T）では、特に高赤方偏移域において、熱的等分配を仮定したシミュレーション（S₁T）と比較して、低質量構造のIGMが顕著に高温（10⁴–10⁶ K）であることが判明した。
• 温暖化状態（3×10⁴–5×10⁵ K）は、S₃Tシミュレーションでのみ出現しており、非等分配プロセスがこれらの領域におけるバリオンの完全な冷却を防いでいることを示している。
• S₃Tシミュレーションでは、冷たいバリオン質量分率（T < 1.7×10⁴ K）がS₁Tと比較して減少しており、銀河形成のためのバキュームが縮小していることを示唆している。
• 弱いイオン化プラズマにおける電子と重粒子間の緩和 timescale は、十分に長く（ハッブル時間と同等またはそれ以上）あり、非平衡状態を維持できる。
• イオン化度をパラメータとする電子温度進化の半解析的モデルは、数値結果と良好に一致しており、非平衡挙動の物理的起源を裏付けている。
• 非平衡状態の原因は、主にCoulomb相互作用に依存するのではなく、電子冷却と重粒子による加熱の競合であり、短距離の電子-中性粒子相互作用が重要な役割を果たしている。