[논문 리뷰] The formation of disk galaxies in computer simulations

Lucio Mayer, Fabio Governato외 1명|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|2008. 01. 25.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 1인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 ΛCDM 프레임워크 내에서 디스크 은하 형성에 대한 천체역학 시뮬레이션을 검토하며, 인위적인 운동량 손실이나 인위적 붕대 형성 없이 안정적인 지수 디스크 은하를 형성하기 위해 고공간 해상도와 고질량 해상도에 더해 실제 초신성 및 블랙홀 피드백이 필수적임을 강조한다. 주요 기여는 현상학적 피드백 모델이 디스크형 은하의 형태를 현실적으로 가능하게 하는 쿠스피(baryonic) 프로파일을 억제할 수 있음을 보여주는 것이다.

ABSTRACT

The formation of disk galaxies is one of the most outstanding problems in modern astrophysics and cosmology. We review the progress made by numerical simulations carried out on large parallel supercomputers. Recent progress stems from a combination of increased resolution and improved treatment of the astrophysical processes modeled in the simulations, such as the phenomenological description of the interstellar medium and of the process of star formation. High mass and spatial resolution is a necessary condition in order to obtain large disks comparable with observed spiral galaxies avoiding spurious dissipation of angular momentum. A realistic model of the star formation history. gas-to-stars ratio and the morphology of the stellar and gaseous component is instead controlled by the phenomenological description of the non-gravitational energy budget in the galaxy. We show that simulations of gas collapse within cold dark matter halos including a phenomenological description of supernovae blast-waves allow to obtain stellar disks with nearly exponential surface density profiles as those observed in real disk galaxies, counteracting the tendency of gas collapsing in such halos to form cuspy baryonic profiles. However, the ab-initio formation of a realistic rotationally supported disk galaxy with a pure exponential disk in a fully cosmological simulation is still an open problem. We argue that the suppression of bulge formation is related to the physics of galaxy formation during the merger of the most massive protogalactic lumps at high redshift, where the reionization of the Universe likely plays a key role. A sufficiently high resolution during this early phase of galaxy formation is also crucial to avoid artificial angular momentum loss (Abridged).

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 천체역학 모델의 맥락에서 회전운동에 의해 지지되는 디스크 은하 형성 이해를 위한 것이다.
• 큰 안정성 있는 디스크를 관측된 나선형 은하와 유사하게 형성하는 데 필요한 물리적 조건—특히 해상도와 피드백 메커니즘—을 규명하기 위한 것이다.
• 오랫동안 지속된 난제인 시뮬레이션된 은하들이 관측과는 반대로 과도하게 농축된(쿠스피) 디스크나 인위적 붕대를 형성하는 이유를 해결하기 위한 것이다.
• 초기 융합 사건, 재이온화, 피드백의 역할을 분석하여 붕대가 없는 디스크 은하 형성에 기여하는지를 평가하기 위한 것이다.
• 위성 은하의 상호작용, 아디아바틱 수축, 냉각 흐름이 디스크 안정성과 형태에 미치는 영향을 평가하기 위한 것이다.

제안 방법

• 병렬 슈퍼컴퓨터에서 대규모 천체역학 N-체 및 스무스드 파article 유체역학(SPH) 시뮬레이션을 수행한다.
• 초기 디스크 구축 과정에서 인위적 운동량 손실을 최소화하기 위해 고질량 및 고공간 해상도를 구현한다.
• 별 형성과 가스 냉각을 조절하기 위해 초신성 피드백 및 에너지 주입을 위한 현상학적 모델을 사용한다.
• 은하간성 매질(ISM)을 열적 및 운동적 피드백을 포함한 미세구조 보정법으로 모델링한다.
• 냉각된 어둠료물질 허브 내에서 가스 응축을 시뮬레이션하며, 피드백 유무에 따라 그 영향을 고립적으로 분석한다.
• 아디아바틱 수축과 냉각 흐름이 허브 잠재력 변화, 디스크 크기 및 회전곡선에 미치는 영향을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 천체역학 시뮬레이션은 왜 큰 안정성 있는 디스크와 지수 표면 밀도 프로파일을 형성하지 못하는가?
• RQ2 초신성 피드백은 어떻게 회전운동에 의해 지지되는 디스크 형성에 영향을 미치며, 쿠스피 바리온 프로파일의 발생을 방지하는가?
• RQ3 고해상도 시뮬레이션은 초기 은하 구축 과정에서 인위적 운동량 손실과 인위적 붕대 형성을 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 초기 융합과 재이온화는 붕대가 없는 디스크 은하 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 위성 은하의 조우 상호작용이 계층적 구조 형성에서 디스크를 가열하고 형태를 파괴하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 인위적 운동량 소산을 방지하고 관측된 나선형 은하와 유사한 큰 안정성 있는 디스크를 형성하기 위해 고질량 및 고공간 해상도가 필수적이다.
• 현상학적 초신성 피드백은 냉각된 어둠료물질 허브 내에서 가스가 쿠스피 바리온 프로파일을 형성하는 경향을 억제하여 거의 지수 표면 밀도 프로파일을 가능하게 한다.
• 완전한 천체역학 시뮬레이션 내에서 순수 지수 디스크의 기초 형성 문제는 여전히 열려 있으며, 피드백 모델링의 진전에도 불구하고 해결되지 않았다.
• 붕대 형성 억제는 고적색도 시기 융합의 물리학과 우주의 재이온화와 관련이 있으며, 이는 가스 냉각과 별 형성 조절에 기여할 수 있다.
• 아디아바틱 수축 모델은 과도하게 빠른 회전곡선을 예측하며, Tully-Fisher 관계를 충족하지 못하므로 3차원 천체역학적 응축에 대한 적용에 한계가 있음을 시사한다.
• 위성의 조우 상호작용은 디스크를 가열하고 척도 높이를 증가시키며, 바 형 불안정성을 유도할 수 있지만, 해상도와 피드백의 한계로 인해 디스크의 장기적 생존 가능성은 불확실하다.