[논문 리뷰] The angular momentum of baryons and dark matter halos revisited

Taysun Kimm, Julien Devriendt외 4명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 03.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 44

한 줄 요약

이 연구는 적응 메쉬 리파인먼트(AMR)를 사용한 고해상도 천체역학 시뮬레이션을 통해 은하 형성에서 운동량의 전달을 재검토한다. 연구 결과, 냉각 기체 필라가 은하 형성의 중심 영역(r ≤ 0.1 Rvir)에 직접적으로 운동량을 공급하는 동안, 은하 형성의 중심 영역에 도달할 때 냉각 기체 필라는 어두운 물질 허브보다 훨씬 높은 특정 운동량을 지닌다. 반면 어두운 물질 입자는 영향을 받지 않는다. 이와 같은 비대칭적 운동량 이행에도 불구하고, 전체 바리온 성분의 특정 운동량은 어두운 물질 허브의 그것과 유사하게 유지되며, 이는 시뮬레이션에서 현실적인 항성 디스크 형성이 가능하게 하여, 전통적인 은하 형성 모델에서 기체와 어두운 물질이 동일한 특정 운동량을 공유한다는 가정을 도전한다.

ABSTRACT

Recent theoretical studies have shown that galaxies at high redshift are fed by cold, dense gas filaments, suggesting angular momentum transport by gas differs from that by dark matter. Revisiting this issue using high-resolution cosmological hydrodynamics simulations with adaptive mesh refinement, we find that at the time of accretion, gas and dark matter do carry a similar amount of specific angular momentum, but that it is systematically higher than that of the dark matter halo as a whole. At high redshift, freshly accreted gas rapidly streams into the central region of the halo, directly depositing this large amount of angular momentum within a sphere of radius r=0.1rvir. In contrast, dark matter particles pass through the central region unscathed, and a fraction of them ends up populating the outer regions of the halo (r/rvir>0.1), redistributing angular momentum in the process. As a result, large-scale motions of the cosmic web have to be considered as the origin of gas angular momentum rather than its virialised dark matter halo host. This generic result holds for halos of all masses at all redshifts, as radiative cooling ensures that a significant fraction of baryons remain trapped at the centre of the halos. Despite this injection of angular momentum enriched gas, we predict an amount for stellar discs which is in fair agreement with observations at z=0. This arises because the total specific angular momentum of the baryons remains close to that of dark matter halos. We propose a new scenario where gas efficiently carries the angular momentum generated by large-scale structure motions deep inside dark matter halos, redistributing it only in the vicinity of the disc.

연구 동기 및 목표

• 은하 형성 모델에서 기체와 어두운 물질이 동일한 특정 운동량을 공유한다는 표준 가정을 재평가하기 위해.
• 우주 시간에 따라 바리온과 어두운 물질 간의 운동량 기원과 진화를 조사하기 위해.
• 기체와 어두운 물질 간의 운동량 분리 현상이 허브 질량과 적색편이에 관계없이 보편적인지 확인하기 위해.
• 이 분리 현상이 현실적인 항성 디스크 형성과 관측된 척도 관계에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 비탈리아라이즈드 허브 내에서 운동량 보존에 기반한 고전적 은하 형성 이론에 도전하기 위해.

제안 방법

• 냉각 기체 필라와 그 적축 역학을 해석할 수 있도록 고해상도 천체역학 시뮬레이션을 수행하기 위해 적응 메쉬 리파인먼트(AMR)를 사용한다.
• 다양한 질량과 적색편이 범위에서 허브 형성을 모델링하기 위해 Nut, Cosmo25, Cosmo50 시뮬레이션 세트를 활용한다.
• 디스크 형성 영역에 운동량 전달를 분리하기 위해 중심 영역(r ≤ 0.1 Rvir)을 정의한다.
• 비탈리아라이즈드 허브 및 그 내부 영역에서 기체, 항성, 어두운 물질의 특정 운동량(j)을 비교한다.
• 적색편이와 허브 질량에 따른 운동량 진화를 모델링하기 위해 피팅 함수(식 3)를 적용한다.
• 냉각 유동을 통해 대규모 은하망의 운동에서 중심 은하로의 운동량 이행을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적축 기체가 지닌 특정 운동량의 기원은 어두운 물질 허브의 그것과 비교해 어디서 기인하는가?
• RQ2 적축 시점과 중심 허브 영역 내에서 기체의 특정 운동량은 어두운 물질에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 기체와 어두운 물질 간의 운동량 분리 현상은 허브 질량이나 적색편이에 따라 달라지는가?
• RQ4 기체와 어두운 물질 간의 운동량 불균형이 존재하는 바에도 불구하고, 전체 바리온 성분의 특정 운동량이 어두운 물질 허브와 유사하게 유지되는 이유는 무엇인가?
• RQ5 냉각 기체의 적축이 현실적인 항성 디스크 형성과 관측된 척도 관계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 적축 시점에서 기체는 전체 어두운 물질 허브보다 훨씬 높은 특정 운동량을 지닌다. 중심 영역(r ≤ 0.1 Rvir)에서는 최대 두 배까지 높을 수 있다.
• 냉각 기체 필라는 빠르게 허브 중심으로 유입되며, 고도의 운동량을 직접 내부 허브에 공급한다. 반면 어두운 물질 입자는 방해 없이 통과한다.
• 어두운 물질 허브의 특정 운동량 크기는 시간이 지남에 따라 반에서 두-thirds 정도 감소하지만, 전체 바리온 운동량은 여전히 어두운 물질 허브의 그것과 유사하게 유지된다.
• 시뮬레이션에서 항성 디스크의 특정 운동량은 z=0에서 관측 결과와 양호한 일치를 보이며, 초기 기체와 어두운 물질 간의 운동량 불균형에도 불구하고 현실적인 형성 가능성을 보여준다.
• 기체와 어두운 물질 간의 운동량 불일치는 손실의 비대칭성 때문이 아니라, 대규모 은하망의 운동에서 냉각 유동을 통해 내부로 효율적으로 운동량이 이행되기 때문이다.
• 비탈리아라이즈드 허브 내에서 기체와 어두운 물질이 동일한 특정 운동량을 공유한다는 표준 가정은 잘못되었으며, 디스크 형성 이론의 대대적인 수정이 필요하다.