[論文レビュー] The Role of Gas In Maintaining Quasi-Steady Spiral Structure In Stellar Disks

Sukanya Chakrabarti|Dec 3, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 36

ひとこと要約

本論文は、星々の回転運動における角運動量の移動が、非可逆的ガスと非可積分星の間の方位角的位相シフトによって引き起こされる力の作用によって、星の円盤内での自己重力的ガスが準安定な渦巻き構造を維持することを示している。シミュレーションでは、冷たい放射冷却ガスが存在しない場合、渦巻き構造は急速に崩壊するが、ガスが存在する場合には連続的なエネルギー散逸と力の交換が可能となり、現実的な星形成則（ケニクット＝シュไ Cute関係）に一致する条件下でも、持続的な渦巻きパターンが維持されることを示している。

ABSTRACT

We study the dynamical evolution of spiral structure in the stellar disks of isolated galaxies using high resolution Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) simulations that treat the evolution of gas, stars, and dark matter self-consistently. We focus this study on the question of self-excited spiral structure in the stellar disk and investigate the dynamical coupling between the cold, dissipative gaseous component and the stellar component. We find that angular momentum transport from the gas to the stars inside of corotation leads to a roughly time-steady spiral structure in the stellar disk. To make this point clear, we contrast these results with otherwise identical simulations that do not include a cold gaseous component that is able to cool radiatively and dissipate energy, and find that spiral structure, when it is incipient, dies out more rapidly in simulations that do not include gas. We also employ a standard star formation prescription to convert gas into stars and find that our results hold for typical gas consumption time scales that are in accord with the Kennicutt-Schmidt relation. We therefore attribute the long-lived roughly time steady spiral structure in the stellar disk to the dynamical coupling between the gas and the stars and the resultant torques that the self-gravitating gaseous disk is able to exert on the stars due to an azimuthal phase shift between the collisionless and dissipative components.

研究の動機と目的

• 星の円盤内での渦巻き構造の長期間安定性と持続可能性に及ぼすガスの影響を調査すること。
• 冷たい、散逸的ガスの存在が、星の時間的に安定した渦巻きパターンを可能にするかどうかを特定すること。
• 特に角運動量移動を介したガスと星の動的結合が、渦巻き構造を維持する役割を果たすかを検討すること。
• 状態方程式や粘性の変更といった異なる物理的仮定のもとで、結果の頑健性をテストすること。
• ガス有無のシミュレーションを比較し、時間経過に伴う渦巻き構造の安定化におけるガスの役割を明確にすること。

提案手法

• 孤立銀河におけるガス、星、およびダークマターを自己自己一貫的にモデル化した高解像度スムージング粒子法（SPH）シミュレーション。
• ガスから星への変換を可能にする、ケニクット＝シュไ Cute関係に一致する標準的な星形成則の使用。
• 放射冷却を組み込むことで、エネルギーを散逸し、自己重力的で散逸的円盤を形成できるようにする。
• 人工的粘性と状態方程式（等温から多相モデルまで）を変化させ、角運動量輸送への感受性をテストする。
• 冷たいガスの有無を比較することで、ガスが渦巻き構造の維持に果たす役割を分離する。
• 時間経過に伴う星とガスの角運動量の変化を追跡し、力の伝達とパターンの持続性を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たい散逸的ガスの存在が、星の円盤内での渦巻き構造の長期間持続性にどのように影響するか？
• RQ2 ガスから星への角運動量移動が、準安定な渦巻きパターンの維持に果たす役割は何か？
• RQ3 ガスと星の間の方位角的位相シフトが、どのように渦巻き構造を安定化させる力の作用を生じるか？
• RQ4 ガスの状態方程式や粘性の変化が、角運動量輸送と渦巻き安定性に与える影響は何か？
• RQ5 現実的な星形成則が、星成分における渦巻き構造の持続性にどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• 冷たい放射冷却ガスが存在することで、星の円盤内に長期間にわたる準安定な渦巻き構造が維持されるが、ガスなしのシミュレーションでは渦巻き特徴が急速に崩壊する。
• コリレーション領域内では、ガスから星へ角運動量が移動し、複数の動的時定数にわたって渦巻きパターンが維持される。
• ガスと星の位相シフトが、角運動量交換の継続的供給源として機能する力の作用を生み出し、渦巻き構造を安定化させる。
• 人工的粘性をゼロとしたシミュレーションでは、1.4 Gyrの間に星の角運動量が6%減少するが、標準ケースでは30%減少し、粘性が運動量移動を強化していることが示唆される。
• 状態方程式の影響は小さい：等温ガス（EQS0LR）では星の角運動量が18%減少するが、完全な多相モデル（EQS1LR）では25%減少するため、状態方程式の変化に対して頑健であることが示唆される。
• ケニクット＝シュไ Cute関係に一致する現実的な星形成とガス消費 timescale を採用しても、ガスと星の結合が継続的に維持されるため、渦巻き構造は安定したままである。