[논문 리뷰] Thermodynamic evolution of cosmological baryonic gas: I. Influence of non-equipartition processes

S. Courty, Jean‐Michel Alimi|ArXiv.org|2003. 12. 19.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 31인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 고체 구조 형성 중 복사 냉각, 충격 가열, 중력 및 화학적 진화를 자동으로 포함하는 N-체/유체역학 시뮬레이션을 사용하여 천체물리학적 비등온 상태의 이완 시간을 고려하여 은하간 매질(IGM)의 열역학적 진화를 조사한다. 이는 비등온 상태에서 전자, 이온, 중성입자 간의 에너지 교환 비균형이 고적색도에서 저질량 구조의 은하간 매질(IGM)을 상당히 데우며, 이는 저온 및 약하게 이온화된 IGM의 비율을 증가시키고, 은하 형성 효율을 변화시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Using N-body/hydrodynamic simulations, the influence of non-equipartition processes on the thermal and dynamical properties of cosmological baryonic gas is investigated. We focus on a possible departure from equilibrium between electrons, ions and neutral atoms in low temperature (10^4-10^6 K) and weakly ionized regions of the intergalactic medium. The simulations compute the energy exchanges between ions, neutrals and electrons, without assuming thermal equilibrium. They include gravitation, shock heating and cooling processes, and follow self-consistently the chemical evolution of a primordial composition hydrogen-helium plasma without assuming collisional ionization equilibrium. At high redshift, a significant fraction of the intergalactic medium is found to be warmer and weakly ionized in simulations with non-equipartition processes than in simulations in which the cosmological plasma is considered to be in thermodynamic equilibrium. With a semi-analytical study of the out of equilibrium regions we show that, during the formation of cosmic structures, departure from equilibrium in accreted plasma results from the competition between the atomic cooling processes and the elastic processes between heavy particles and electrons. Our numerical results are in agreement with this semi-analytical model. Therefore, since baryonic matter with temperatures around 10^4 K is a reservoir for galaxy formation, non-equipartition processes are expected to modify the properties of the objects formed.

연구 동기 및 목표

• 비등온 상태에서 전자, 이온, 중성입자 간의 에너지 교환 비균형이 대규모 구조 형성 과정에서 천체물리학적 이완 상태의 열역학적 진화에 미치는 영향를 이해하기 위해
• 특히 저질량 구조에서 비균형 에너지 교환의 영향을 고려하여 은하간 매질(IGM)의 열적 및 역학적 성질을 평가하기 위해
• 약하게 이온화된 저온 플라즈마(10⁴–10⁶ K)에서 열평형에서의 이탈이 은하 형성의 물질 저축에 영향을 주는 냉각 및 가열 속도에 영향을 미치는지 확인하기 위해
• 비균형 상태 플라즈마에서의 이완 시간스케일을 정량화하는 반분석 모델을 개발하고, 수치 결과를 검증하기 위해
• 비균형 상태 효과가 냉각된 은하물질 질량 비율과 IGM의 온도 분포에 미치는 영향를 정량화하기 위해

제안 방법

• 비균형 상태에서 충돌 이온화 평형을 가정하지 않고, 초기 수소-Helium 플라즈마의 중력, 충격가열, 복사 냉각, 화학적 진화를 자동으로 포함하는 유한체적(Eulerian) 코드를 사용한 N-체/유체역학 시뮬레이션
• 전자, 이온, 중성입자 각각의 개별 운동온도를 추적하여 열평형을 가정하지 않음
• 전자와 중입자 간의 이완 시간스케일을 추정하기 위한 반분석 모델 개발 — 전자 냉각과 중입자에 의한 가열 간의 경쟁을 기반으로 함
• 이온화도 함수로 전자-중입자 온도비를 매개변수화하고, 수치 결과와의 일치를 검증함
• 비균형 상태를 고려한 시뮬레이션(S₃T)과 열평형을 강제로 적용한 시뮬레이션(S₁T) 간의 비교 분석을 수행하여 온도, 이온화도, 질량 분포 분포에 중점을 둠
• 비균형 상태 플라즈마 영역의 안정성과 진화를 평가하기 위해 냉각 및 역학적 시간스케일을 계산함

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저질량 구조에서 전자, 이온, 중성입자 간의 열평형이 없을 경우 은하간 매질(IGM)의 온도와 이온화 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 구조 형성 과정에서 약하게 이온화된 저온 플라즈마(10⁴–10⁶ K)에서 열평형에서의 이탈을 유도하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 비균형 상태 영역에서 전자와 중입자 간의 이완 시간스케일은 허블 시간과 비교하여 어떻게 되며, 그 크기를 결정하는 요소는 무엇인가?
• RQ4 비균형 상태 행동이 냉각된(T < 1.7×10⁴ K) 및 따뜻한(T ~ 3×10⁴–5×10⁵ K) 상황에서 은하물질 질량 비율에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 열평형을 강제로 적용한 시뮬레이션과 적용하지 않은 시뮬레이션 간에 은하간 매질의 열역학적 성질은 어떻게 다를까?

주요 결과

• 열평형을 고려하지 않은 시뮬레이션(S₃T)에서는 고적색도에서 저질량 구조의 은하간 매질(IGM)이 열평형을 가정한 시뮬레이션(S₁T)보다 상당히 따뜻하다(10⁴–10⁶ K).
• 따뜻한 상(3×10⁴–5×10⁵ K)은 오직 S₃T 시뮬레이션에서 나타나며, 이는 비균형 상태의 에너지 교환이 이 영역에서 은하물질의 완전한 냉각을 방지함을 시사한다.
• S₃T 시뮬레이션에서 냉각된 은하물질 질량 비율(T < 1.7×10⁴ K)은 S₁T에 비해 감소하여 은하 형성의 물질 저축이 줄어듦을 의미한다.
• 약하게 이온화된 플라즈마에서 전자와 중입자 간의 이완 시간스케일은 충분히 길어(허블 시간과 유사하거나 이를 초월함) 비균형 상태를 유지할 수 있다.
• 이온화도에 따라 매개변수화된 전자 온도 변화의 반분석 모델은 수치 결과와 양호한 일치를 보이며, 비균형 행동의 물리적 기원을 확인한다.
• 비균형 상태는 오직 쿨롱 상호작용 때문이 아니라 전자 냉각과 중입자에 의한 가열 간의 경쟁에 의해 유도되며, 단거리 전자-중성입자 상호작용이 핵심적인 역할을 한다.