[논문 리뷰] Forming disc galaxies in major mergers II. The central mass concentration problem and a comparison of GADGET3 with GIZMO

S. A. Rodionov, E. Athanassoula외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 10.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 원시은하의 주요 병합 시뮬레이션에서 발생하는 비물리적인 중심질량집중(CMC) 문제를 해결하기 위해 단순하고 파rametric한 AGN 유사 피드백을 도입하여 밀도가 높은 중심 기체 입자를 가열함으로써, 현실적인 바 형성과 원형 속도 프로파일의 안정성을 성공적으로 가능하게 한다. 또한 GADGET3와 GIZMO의 PSPH 변종이 거의 동일한 결과를 내는 반면, MFM는 더 큰 이질성을 보이며, 은하 병합 연구에 있어서 코드 일관성의 타당성을 입증한다.

ABSTRACT

Context: In a series of papers, we study the major merger of two disk galaxies in order to establish whether or not such a merger can produce a disc galaxy. Aims: Our aim here is to describe in detail the technical aspects of our numerical experiments. Methods: We discuss the initial conditions of our major merger, which consist of two protogalaxies on a collision orbit. We show that such merger simulations can produce a non-realistic central mass concentration, and we propose simple, parametric, AGN-like feedback as a solution to this problem. Our AGN-like feedback algorithm is very simple: at each time-step we take all particles whose local volume density is above a given threshold value and increase their temperature to a preset value. We also compare the GADGET3 and GIZMO codes, by applying both of them to the same initial conditions. Results: We show that the evolution of isolated protogalaxies resembles the evolution of disk galaxies, thus arguing that our protogalaxies are well suited for our merger simulations. We demonstrate that the problem with the unphysical central mass concentration in our merger simulations is further aggravated when we increase the resolution. We show that our AGN-like feedback removes this non-physical central mass concentration, and thus allows the formation of realistic bars. Note that our AGN-like feedback mainly affects the central region of a model, without significantly modifying the rest of the galaxy. We demonstrate that, in the context of our kind of simulation, GADGET3 gives results which are very similar to those obtained with the PSPH (density independent SPH) flavor of GIZMO. Moreover, in the examples we tried, the differences between the results of the two flavors of GIZMO, namely PSPH, and MFM (mesh-less algorithm) are similar to and, in some comparisons, larger than the differences between the results of GADGET3 and PSPH.

연구 동기 및 목표

• 원시은하의 주요 병합 시뮬레이션에서 발생하는 비물리적인 중심질량집중(CMC) 문제를 해결함으로써 현실적인 바 형성의 가능성을 확보하기 위해.
• 단순하고 파arametric한 AGN 유사 피드백이 CMC를 효과적으로 억제하고 현실적인 운동학적 프로파일을 복원할 수 있는지 테스트하기 위해.
• GADGET3와 GIZMO 코드의 다양한 수치 해법(PSPH 및 MFM)이 원시은하의 주요 병합을 시뮬레이션할 때 성능에 어떤 영향을 미치는지 비교하기 위해.
• 고립된 원시은하가 현실적인 디스크 형태의 시스템으로 진화하는지 검증함으로써, 병합 실험의 초기 조건으로 사용할 수 있음을 정당화하기 위해.

제안 방법

• 초기 조건은 어두운 물질과 기체 헬로를 포함한 구형이고 평형 상태에 도달한 원시은하 두 개로 구성되며, 현실적인 디스크 형성을 모의하기 위해 스핀을 부여한다.
• AGN 유사 피드백 알고리즘은 각 시간 단계에서 국소 체적 밀도가 임계값 ρ_AGN을 초과하는 기체 입자를 고정된 온도 T_AGN로 가열한다.
• 피드백은 중심 영역에만 적용되어 외부 디스크 구조에 대한 교란을 최소화하면서도 CMC 문제를 해결한다.
• 시뮬레이션은 GADGET3와 GIZMO의 세 가지 변종(PSPH, TSPH, MFM)을 사용하여 수행된다.
• 병합 잔여물의 현실성 평가를 위해 원형 속도 프로파일과 바 형성을 모니터링한다.
• 피드백에 에딩턴 한계를 포함시키는 것은 선택 사항이며, 물리적으로 현실적인 질량 및 속도 프로파일을 확보하는 데 필수적이지 않음을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단순하고 파arametric한 AGN 유사 피드백 알고리즘이 원시은하의 주요 병합 시뮬레이션에서 발생하는 비물리적인 중심질량집중 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ2 AGN 유사 피드백의 도입이 실제 디스크 은하에서 흔히 관측되는 바 형성의 가능성을 열어줄 수 있는가?
• RQ3 GADGET3의 결과와 GIZMO의 다양한 유체역학 해법(PSPH 및 MFM) 간의 결과가 동일한 초기 조건을 기반으로 시뮬레이션했을 때 어떻게 비교되는가?
• RQ4 시뮬레이션 해상도를 높이면 중심질량집중 문제의 악화가 가속화되는가? 그리고 피드백이 이 영향을 완화시킬 수 있는가?
• RQ5 물리적으로 현실적인 밀도 및 속도 프로파일을 확보하기 위해 피드백 알고리즘에 에딩턴 한계가 반드시 필요한가?

주요 결과

• AGN 유사 피드백이 없을 경우, 모든 시뮬레이션에서 강력하고 비물리적인 중심질량집중(CMC)이 발생하여 극단적으로 뾰족한 원형 속도 프로파일을 유도한다.
• CMC는 바 형성의 억제를 초래하며, 이는 약 60%의 디스크 은하가 바를 보유하고 있다는 관측 결과와 부합하지 않는다.
• AGN 유사 피드백은 CMC를 성공적으로 제거하여 현실적인 원형 속도 프로파일을 복원하고 안정적이고 현실적인 바 형성을 가능하게 한다.
• 피드백은 주로 중심 영역에 영향을 미치며, 외부 디스크 구조나 전반적인 형태에 크게 영향을 주지 않는다.
• GADGET3와 GIZMO의 PSPH 변종은 모든 시뮬레이션에서 거의 동일한 결과를 내어, 이 문제 유형에 있어서 강력한 코드 일관성을 보여준다.
• MFM와 PSPH 간의 차이는 GADGET3와 PSPH 간의 차이와 유사하거나 더 크며, 이는 MFM가 이 맥락에서 특별한 물리적 영향을 도입할 수 있음을 시사한다.