[논문 리뷰] Bars and secular evolution in disk galaxies: Theoretical input

E. Athanassoula|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 28.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 디스크 은하에서 바의 영향으로 일어나는 장기적 진화에 대한 이론적 프레임워크를 제시하며, 바가 공명을 통해 운동량을 재분배하여 바의 두꺼워짐을 유도하고, 상자형/백합꽃 모양의 붕괴핵 형성과 디스크의 스케일길이 증가와 같은 구조적 진화를 이끌어내는 것으로 밝혀졌다. 핵심 결과는 바의 강도와 수명이 바에서 방출되는 운동량이 산개구역과 외부 디스크에 의해 최적으로 흡수될 때 최대가 되며, 이는 우리 은하의 바가 관측된 형태를 설명한다.

ABSTRACT

Bars play a major role in driving the evolution of disk galaxies and in shaping their present properties. They cause angular momentum to be redistributed within the galaxy, emitted mainly from (near-)resonant material at the inner Lindblad resonance of the bar, and absorbed mainly by (near-)resonant material in the spheroid (i.e., the halo and, whenever relevant, the bulge) and in the outer disk. Spheroids delay and slow down the initial growth of the bar they host, but, at the later stages of the evolution, they strengthen the bar by absorbing angular momentum. Increased velocity dispersion in the (near-)resonant regions delays bar formation and leads to less strong bars. When bars form they are vertically thin, but soon their inner parts puff up and form what is commonly known as the boxy/peanut bulge. This gives a complex and interesting shape to the bar which explains a number of observations and also argues that the COBE/DIRBE bar and the Long bar in our Galaxy are, respectively, the thin and the thick part of a single bar. The value of the bar pattern speed may be set by optimising the balance between emitters and absorbers, so that a maximum amount of angular momentum is redistributed. As they evolve, bars grow stronger and rotate slower. Bars also redistribute matter within the galaxy, create a disky bulge (pseudo-bulge), increase the disk scale-length and extent and drive substructures such as spirals and rings. They also affect the shape of the inner part of the spheroid, which can evolve from spherical to triaxial.

연구 동기 및 목표

• 바가 운동량 재분배를 통해 디스크 은하에서 장기적 진화를 어떻게 이끌어내는지 이해하는 것.
• 공명과 산개구역 성분이 바의 성장과 진화를 규제하는 데서 수행하는 역할를 명확히 하는 것.
• 상자형/백합꽃 모양의 붕괴핵 형성과 그 관측적 함의, 특히 우리 은하의 바의 성격을 설명하는 것.
• 속도 분산과 환경의 성질이 바의 강도와 진화 timescale에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 최대 운동량 재분배가 일어나는 조건을 규명하고, 이가 관측된 바의 강도와 패턴 속도와 어떻게 관련되는지 밝혀내는 것.

제안 방법

• 고정된 성분이 운동량 교환을 인위적으로 제한하는 것을 방지하기 위해 살아있는 환경을 포함한 N-체 시뮬레이션을 사용하여 바의 형성과 진화를 모델링하는 것.
• 특히 공명 영역에서 바의 수직 두께가 증가하여 상자형/백합꽃 형태로 변하는 것을 설명하기 위해 궤도 구조 이론을 적용하는 것.
• 바, 디스크, 산개구역(은하핵 및 원반) 사이의 운동량 이행을 분석하며, 내부 및 외부 리드블라드 공명에 중점을 두는 것.
• 디스크와 산개구역의 속도 분산이 공명 활동과 운동량 방출/흡수에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 바의 패턴 속도, 공명 반경, 바 길이의 시간적 변화를 분석하여 바가 어떻게 더 강력하고 느려지게 진화하는지 평가하는 것.
• COBE/DIRBE와 우리 은하의 장바(bar)와 같은 관측 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 바의 3차원적 구조를 추론하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바는 디스크 은하 내부에서 운동량을 어떻게 재분배하며, 이 과정에서 공명이 어떤 역할을 하는가?
• RQ2 왜 바는 상자형/백합꽃 모양의 붕괴핵으로 두꺼워지는가? 그리고 이 수직 두께의 반경 범위는 무엇에 의해 결정되는가?
• RQ3 산개구역(은하핵 및/또는 원반)의 존재가 바의 형성과 진화에 어떤 영향을 미치며, 특히 초기 단계와 후기 단계에서 어떻게 다르게 작용하는가?
• RQ4 디스크와 산개구역의 속도 분산이 바의 형성 지연과 강도 감소에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 운동량 재분배가 최대가 되는 조건은 무엇이며, 이는 관측된 바의 강도와 패턴 속도와 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 바는 N-체 시뮬레이션을 통해 자발적으로 형성되며, 운동량 재분배를 통해 진화한다. 주로 내부 리드블라드 공명에서 운동량을 방출하고, 산개구역과 외부 디스크에서 흡수한다.
• 산개구역은 초기 바의 성장을 지연시키지만, 나중에는 운동량을 흡수함으로써 바를 강화시켜, 산개구역-디스크 질량 비율이 높은 은하에서 더 강한 바가 형성됨을 보여준다.
• 디스크 또는 산개구역의 속도 분산이 증가하면 공명 활동이 감소하여 바가 약해지고 형성이 지연된다.
• 바는 수직적으로 얇게 시작하지만, 궤도의 혼잡함으로 인해 내부 영역에서 급격히 두꺼워지며, 상자형/백합꽃 모양의 붕괴핵을 형성한다. 이는 바 길이의 약 (0.7 ± 0.3) 범위까지 반경 방향으로 확장된다.
• COBE/DIRBE 바와 우리 은하의 장바(bar)는 각각 하나의 수직으로 연장된 바의 얇은 부분과 두꺼운 부분으로 해석된다.
• 바가 길어짐에 따라 바의 강도는 증가하고 패턴 속도는 감소하며, 운동량 재분배가 최대가 될 때 가장 강한 바가 형성된다. 이는 산개구역 질량이 최대일 때가 아니라도 가능하다.