[论文解读] 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)|Apr 17, 2018

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 21被引用 11

一句话总结

本论文通过分析在垂直2:1共振处分岔的三维周期轨道的稳定性和轨道成分，研究了旋涡星系中CX型（中心对称）和OX型（非中心对称）花生状星系核球的动力学机制。结果表明，在特定N体模拟导出的势场中，稳定的三维族通过拟周期轨道产生∞字形（CX型）轮廓，而黏滞混沌轨道则强化了其他形态——这与标准模型中稳定族支持OX轮廓的典型机制相反。

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.

研究动机与目标

• 研究在非标准旋转旋涡星系模型中，垂直2:1共振处从x1分岔出的三维族不稳定时的相空间结构。
• 将此模型中的轨道动力学与形态结果与标准模型（即分岔出的三维族稳定）进行比较。
• 确定拟周期轨道与黏滞混沌轨道在侧视图中形成CX型与OX型侧视轮廓中的作用。
• 评估在垂直2:1共振处三维周期轨道的稳定性如何影响最终的X形星系核球形态。
• 阐明CX轮廓的动力学起源，挑战传统观点中仅稳定族支持此类结构的看法。

提出的方法

• 使用快速旋转旋涡星系N体模拟的冻结快照作为势场来源。
• 通过数值积分，追踪作为能量（雅可比常数）函数的中心x1族周期轨道的垂直稳定性。
• 应用截面法分析相空间结构，识别规则运动与混沌运动区域。
• 识别并分析在垂直2:1共振处分岔的三维族（x1v1与x1v2），特别是其稳定性转变。
• 追踪围绕稳定三维族的拟周期轨道以及靠近不稳定族的黏滞混沌轨道对最终侧视形态的影响。
• 将此模型与标准解析模型（如Ferrers星系棒）的形态结果——CX型与OX型轮廓——进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在垂直2:1共振处分岔的三维周期轨道的稳定性如何影响旋涡星系模型的侧视形态？
• RQ2 在稳定三维族呈现∞字形轮廓的模型中，何种动力学机制支持CX型（中心对称）X形星系核球的形成？
• RQ3 为何在此模型中，黏滞混沌轨道在塑造CX轮廓方面起更显著作用，与标准情况相反？
• RQ4 相空间结构，特别是不稳定周期轨道附近存在黏滞区域时，如何影响观测形态的长期稳定性？
• RQ5 同一组轨道族是否可能因分岔三维族的稳定性不同以及规则轨道与混沌轨道的主导性差异，而同时支持CX与OX轮廓？

主要发现

• 在新模型中，于垂直2:1共振处分岔的三维族不稳定，而稳定族则在侧视图中支持∞字形（CX型）轮廓。
• 围绕稳定三维族的拟周期轨道被捕获，导致CX型轮廓的形成，这与标准模型中典型的机制相反。
• 在新模型中，黏滞混沌轨道虽源于不稳定族，却仍强化OX型形态，即使其基础稳定族产生的是∞字形结构。
• 与标准模型中稳定族（x1v1）支持OX轮廓、不稳定族（x1v2）通过混沌支持CX轮廓的机制相反，本模型中因稳定性配置不同，角色发生反转。
• 具有长黏滞寿命（数Gyr）的混沌区域使混沌轨道即使不在稳定周期轨道上，也能对观测形态产生持续影响。
• X形星系核球的形成机制并非固定于稳定族；相反，规则轨道、黏滞混沌与分岔族稳定性的相互作用共同决定了最终形态。