[논문 리뷰] Simulating disk galaxies and interactions in Milgromian dynamics

Ingo Thies, Pavel Kroupa외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 15.

Cosmology and Gravitation Theories인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 QUMOND 형식을 활용해 유령 어둠의 물질을 모델링함으로써, Milgromian 동역학(MOND)에서 안정적인 디스크 은하 및 상호작용 시스템을 시뮬레이션하는 방법을 제시한다. PHANTOM of RAMSES (PoR) 코드를 사용하여, 관측치와 일치하는 평탄한 외곽 회전곡선을 가진 첫 번째 MOND 기반 은하 시뮬레이션을 달성하였으며, 상호작용 시스템에서 늦은 시기의 융합과 tidal dwarf 은하 형성을 시연하였다.

ABSTRACT

Since its publication 1983, Milgromian dynamics (aka MOND) has been very successful in modeling the gravitational potential of galaxies from baryonic matter alone. However, the dynamical modeling has long been an unsolved issue. In particular, the setup of a stable galaxy for Milgromian N-body calculations has been a major challenge. Here, we show a way to set up disc galaxies in MOND for calculations in the PHANTOM OF RAMSES (PoR) code by Lüghausen (2015) and Teyssier (2002). The method is done by solving the QUMOND Poisson equations based on a baryonic and a phantom dark matter component. The resulting galaxy models are stable after a brief settling period for a large mass and size range. Simulations of single galaxies as well as colliding galaxies are shown.

연구 동기 및 목표

• N-체 시뮬레이션을 위한 Milgromian 동역학(MOND)에서 디스크 은하의 안정적인 初기 설정을 개발하기 위해.
• 비선형 중력으로 인해 연립 포아송 방정식을 풀어야 하는 MOND 동역학을 시뮬레이션하는 데 도전하는 데에.
• 고립 및 상호작용 은하의 현실적인 동역학을 MOND에서 시뮬레이션할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 관측된 디스크 은하의 평탄한 외곽 영역을 반영하는 회전곡선을 생성하기 위해.
• 은하 상호작용 중 MOND에서 tidal dwarf 은하의 형성과 안정성에 대해 조사하기 위해.

제안 방법

• 비선형 중력을 나타내기 위해 QUMOND 형식을 사용하여 유령 어둠의 물질 밀도 분포를 활용함으로써, 뉴턴적 프레임워크에서 포아송 방정식을 해결할 수 있도록 한다.
• 먼저 뉴턴 포아송 방정식을 풀어 복사 물질에서 기인한 뉴턴 가속도장을 계산한다.
• 바리온 및 유령 어둠의 물질 밀도를 조합하여 총 중력 포텐셜을 계산하기 위해 QUMOND 방정식을 적용한다.
• 지수 디스크 프로파일과 유한한 절단 반경을 갖는 초기 조건을 생성하기 위해 수정된 MKGALAXY 스크립트(비-뉴턴 기반)를 사용한다.
• MERGER 패치를 기반으로 하여 CONDINIT 서브루틴을 수정하여 기체 초기 조건을 포함하도록 PoR 코드를 적응시킨다.
• PHANTOM of RAMSES 코드를 사용하여 은하 진화를 시뮬레이션하고, 시간이 지남에 따라 입자 운동 및 기체 분포를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 QUMOND 형식을 사용하여 MOND 시뮬레이션에서 안정적인 디스크 은하를 신뢰성 있게 초기 설정할 수 있는가?
• RQ2 MOND 시뮬레이션에서 어둠의 물질 허브 없이도 관측된 평탄한 외곽 회전곡선을 재현할 수 있는가?
• RQ3 ΛCDM 모델과 비교할 때 MOND에서 은하 융합의 융합 시간스케일은 어떻게 다른가?
• RQ4 상호작용 은하 시뮬레이션에서 MOND에서 tidal dwarf 은하가 형성되고 안정적으로 유지되는가?
• RQ5 특히 나선형 구조와 기체 분포에 관해, 고립 및 상호작용 은하의 장기적인 동역학적 진화는 어떻게 되는가?

주요 결과

• 고립된 시뮬레이션 은하가 관측된 디스크 은하와 일치하는 평탄한 외곽 회전곡선을 보이며, 이는 모델이 MOND가 회전곡선을 설명하는 데 성공한 바를 확인한다.
• 나선형 구조는 첫 30억 년 이내에 빠르게 형성되며, 약 30억 년 후에는 약한 안정된 특징으로 정착된다.
• 상호작용 은하 시스템은 약 55억 년 후에 융합되며, 이는 6회의 perigalactic 통과에 해당하여 ΛCDM 예측보다 상당히 지연된 융합을 나타낸다.
• Tidal dwarf 은하는 52억 년 시점에 기체 및 항성 성분에서 질량이 큰 안정된 덩어리로서 형성되며, 시뮬레이션에서 명확하게 관측된다.
• 항성 성분에서는 조우 후 새로운 별들이 형성되며, 이는 시뮬레이션 스냅샷에서 분명한 덩어리로 나타난다.
• 이 시뮬레이션은 고해상도 MOND 모델이 타원형 팔과 위성 시스템과 같은 복잡한 형태적 특징을 재현할 수 있음을 보여주며, 어둠의 물질 대체로 MOND가 타당한 가능성을 뒷받침한다.