[논문 리뷰] Building CX peanut-shaped disk galaxy profiles. The relative importance of the 3D families of periodic orbits bifurcating at the vertical 2:1 resonance

P. A. Patsis, M. Harsoula|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 17.

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한 줄 요약

이 논문은 수직 2:1 공진에서 분기하는 3차원 주기 궤도의 안정성과 궤도 구성 요소를 분석하여, 낙하식(centred) 및 이심(offsited) 펜터넛형 부르스의 역학적 메커니즘을 조사한다. 특정 N-body 유도 잠재력에서 안정적인 3차원 가족은 준주기 궤도를 통해 ∞-형( CX형) 프로파일을 생성하지만, 점착성 있는 혼돈 궤도는 다른 형태를 강화한다. 이는 기존 모델에서 안정적인 가족이 OX형 프로파일을 지지하는 것과는 반대되는 메커니즘을 보인다.

ABSTRACT

We present and discuss the orbital content of a rather unusual rotating barred galaxy model, in which the three-dimensional (3D) family, bifurcating from x1 at the 2:1 vertical resonance with the known "frown-smile" side-on morphology, is unstable. Our goal is to study the differences that occur in the phase space structure at the vertical 2:1 resonance region in this case, with respect to the known, well studied, standard case, in which the families with the frown-smile profiles are stable and support an X-shaped morphology. The potential used in the study originates in a frozen snapshot of an $N$-body simulation in which a fast bar has evolved. We follow the evolution of the vertical stability of the central family of periodic orbits as a function of the energy (Jacobi constant) and we investigate the phase space content by means of spaces of section. The two bifurcating families at the vertical 2:1 resonance region of the new model change their stability with respect to that of most studied analytic potentials. The structure in the side-on view that is directly supported by the trapping of quasi-periodic orbits around 3D stable periodic orbits has now an infinity symbol (i.e. $\infty$-type) profile. However, the available sticky orbits can reinforce other types of side-on morphologies as well. In the new model, the dynamical mechanism of trapping quasi-periodic orbits around the 3D stable periodic orbits that build the peanut, supports the $\infty$-type profile. The same mechanism in the standard case supports the X shape with the frown-smile orbits. Nevertheless, in both cases (i.e. in the new and in the standard model) a combination of 3D quasi-periodic orbits around the stable x1 family with sticky orbits can support a profile reminiscent of the shape of the orbits of the 3D unstable family existing in each model.

연구 동기 및 목표

• 수직 2:1 공진에서 3차원 가족이 x1에서 분기하는 비표준 회전하는 낙하식 은하 모델에서의 위상공간 구조를 조사하기 위해.
• 이 모델에서 궤도 역학과 형태 결과가 안정적인 가족이 존재하는 표준 사례와 비교하여 어떻게 다를지 분석하기 위해.
• 측면에서의 CX형 및 OX형 측면 프로파일 형성에 있어 준주기 궤도와 점착성 혼돈 궤도의 역할을 규명하기 위해.
• 수직 2:1 공진에서 3차원 주기 궤도의 안정성이 최종적으로 X형 부르스 형태에 어떻게 영향을 주는지 평가하기 위해.
• 기존의 안정적인 가족만이 이러한 구조를 지지한다고 보는 관념을 도전하면서 CX 프로파일의 역학적 기원을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 빠른 회전하는 낙하식 은하의 N-body 시뮬레이션에서의 정지 스크린을 잠재력의 근원으로 사용하기 위해.
• 수치적 통합을 통해 에너지(자기 상수)의 함수로 중심 x1 주기 궤도의 수직 안정성을 추적하기 위해.
• 위상공간의 구조를 분석하고 정규 운동과 혼돈 운동 영역을 식별하기 위해 표면을 절단하기 위해.
• 특히 안정성 전환을 포함하여 수직 2:1 공진에서 분기하는 3차원 가족(x1v1 및 x1v2)을 식별하고 분석하기 위해.
• 안정적인 3차원 가족 주위에 갇힌 준주기 궤도와 불안정한 가족 근처의 점착성 혼돈 궤도가 최종 측면 형태에 미치는 영향을 추적하기 위해.
• 이 모델과 표준 분석 모델(예: Ferrers 낙하식) 간의 형태 결과—CX 대 OX 프로파일—를 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 2:1 공진에서 분기하는 3차원 주기 궤도의 안정성이 낙하식 은하 모델의 측면 형태에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ2 안정적인 3차원 가족이 ∞-형 프로파일을 지닌 모델에서 CX형(중심에 있는) X형 부르스가 형성되는 역학적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 왜 이 모델에서는 점착성 혼돈 궤도가 표준 사례와는 달리 CX 프로파일 형성에 더 두드러진 역할을 하는가?
• RQ4 특히 불안정한 주기 궤도 근처의 점착 영역이 존재할 경우, 위상공간의 구조가 관측된 형태의 장기적 안정성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 동일한 궤도 가족이 분기하는 3차원 가족의 안정성과 정규 궤도 대 혼돈 궤도의 지배 여부에 따라 CX 및 OX 프로파일을 모두 지지할 수 있는가?

주요 결과

• 새로운 모델에서 수직 2:1 공진에서 분기하는 3차원 가족은 불안정하며, 안정적인 가족은 측면 시각에서 ∞-형(CX형) 프로파일을 지지한다.
• 안정적인 3차원 가족 주위에 갇힌 준주기 궤도는 기존 모델에서 일반적으로 관찰되는 메커니즘과는 반대로 CX형 프로파일을 형성한다.
• 이 새로운 모델에서 점착성 혼돈 궤도는 기저의 안정적인 가족이 ∞-형 구조를 지니고 있음에도 불구하고 OX형 형태를 강화한다.
• 표준 모델에서 안정적인 가족(x1v1)이 OX 프로파일을 지지하고 불안정한 가족(x1v2)이 혼돈을 통해 CX 프로파일을 지지하는 데 반해, 이 모델에서는 안정성 구성이 다름으로써 역할이 뒤바뀐다.
• 장기적인 점착 수명(수십억 년)을 가진 혼돈 영역이 존재함으로써, 안정적인 주기 궤도에 있지 않은 혼돈 궤도가 관측된 형태에 지속적인 영향을 미칠 수 있다.
• X형 부르스 형성의 역학적 메커니즘은 안정적인 가족에 고정되어 있지 않으며, 정규 궤도, 점착성 혼돈, 분기하는 가족의 안정성 간의 상호작용이 최종 형태를 결정한다.