銀河形成シミュレーション：銀河形成におけるmajor mergerの役割

斎藤貴之国立天文台天文学データ解析計算センター

saitoh.takayuki@nao.ac.jp

ApJL submitted”Coevolution of the galactic cores and spiral galaxies”

Saitoh & WadaALMA による high-z 銀河 2004.7.23

概要• 階層的構造形成宇宙の元での銀河形成シミュレーションから銀河中心部の進化について調べた• ・銀河の中心部 (R<0.3kpc) の成長

– ・平均的には銀河の質量成長に比例– ・細かく見ると、間欠的な合体による急速な成長を繰り返す

• ・ガスダイナミックス– ・中心部ガス円盤と銀河ガス円盤の角運動量の向きは異なる

• ・ Merger の orbit A.M. 影響

Our universe.

1. 宇宙初期の量子的な揺らぎ2. 宇宙膨張の中で重力により成長3. ある臨界を超えると宇宙膨張から切り離されて重力崩壊4. 崩壊した領域では力学平衡な天体を形成ＣＤＭ宇宙ではＣＤＭ宇宙では• 小さな塊が先につぶれる• 塊同士が合体成長より大きな構造を作る Hierarchical Clustering Universe.

Galaxy Formation in Cold Dark Matter

Universe.宇宙の質量の大半は CDM でしめられている

Galaxy Formation Hierarchical clustering小さな構造が先に出来、それらが合体してより大きな

天体が形成されるTidal field よりトルクを受けたハローは回転をはじめるBaryon は radiative cooling によってエネルギーを失い、

ダークハローの底に集まる

Smooth な降着MergingDisk formation(e.g. Katz & Gunn 1991)

Spheroidal formation(e.g. Toomre 1977) 銀河の形態

銀河 / 銀河核の共成長 ?

McLure & Dunlop (2002)McLure & Dunlop (2002) Spheroidal 形成と SMBH の形成が強くリンクしていることを示唆している

本研究• 超高分解能銀河形成シミュレーションに

より、銀河中心部 ( ～ Spheroidal) の成長を調べる– Q1.Spheroidal と Galaxy の成長は？

Q2.Merging による影響は？

観測的示唆

本研究 今後

観測的示唆準解析的手法

Method & Init Condition

Dark Matter ： Self gravity Baryon ： Self gravity, Hydro, Radiative Cooling 、

Star Formation Code : Tree+GRAPE SPH

Gravity ： Tree+GRAPE (e.g. Makino 1990) Hydro ： SPH (e.g. Lucy 1977)

Cooling (10K<T<108K ,Z=0) Star Formation (C☆=1/30)

Baryon：DM： CDM

perturbation

M>105M◎ のクラウドの自己重力崩壊まで追うことが可能 (Bate&Burkert 1997)

M=1010M◎λ=0.05zi~87zc~3

SPH : 分解能

• SPH 法で正確に追える Jeans 質量は Mj>2xNnbxMsph(Bate & Burkert 1997)

μ=0.59、比熱比=5/3

放射冷却

• ・ 10K<T<108K• ・Molecular

Hydrogen cooling

• ・Opt. thin

Spaans & Norman 1997Wada & Norman 1999

Star Formation• ・星形成の条件

– ・High density (n>0.1/cm3)&(ρgas>200ρbackground)– ・ Low-T (T<30.000)– ・ Converging (∇ ・ v < 0)

• ・すべての条件を満たした粒子は、 ~30dynamical time 程度で非衝突粒子に置き換える（ e.g. Katz 1992 ）

• ・超新星爆発などの Feedback 等は考慮していない( つぎの model で )

gas gas

dyn

ddc

dt dt t

★★

14dyn

gas

tG

0.033c ★

Movie : 4Dデジタルシアター•・ Simulation実行斎藤貴之 (NAOJ)•・可視化武田隆顕 (NAOJ)•・ 2x106 particles in this simulation.•・ Total 100 sec.•・青： DM•・黄色赤：ガス•・光点：星 Simulation outout ：～ 100GB

可視化用データ： ~50GB

収録につきmovieはありません

Movie : プロ用•・ Simulation実行斎藤貴之 (NAOJ)•・可視化斎藤貴之 (NAOJ)•・ 2x106 particles in this simulation.•・ Total 31 sec.

•・緑：ガス•・赤：古い星•・青：若い星(age<0.1Gyr) 収録用のmovieです。その他の目的で利用なさりたいかたは斎藤まで連絡して下さい。

Snap Shot at z=2

RvirR<5kpc

R<0.3kpc

銀河質量と中心部 (R<0.3kpc) の質量f=0.04

Baryon

GasStars

Z=10

Z=5

Z=3.5

Z=7.6

Z=12

どこで星が生まれる？~50%

Central Gas Disk : Movie

•・ Simulation実行斎藤貴之 (NAOJ)•・可視化斎藤貴之 (NAOJ)•・ 2x106 particles in this simulation.•・ Total 31 sec.

• 1kp

c• 5

kpc

•x-y •x-z •y-z

収録用のmovieです。その他の目的で利用なさりたいかたは斎藤まで連絡して下さい。

Evolution of Normalized A.M.

R<5kpc

Z=5

Z=4

Z=3.5

Z=3.0,2.5, 2.0

Z=4.5

x

y

Evolution of Normalized A.M.

R<0.3kpcx

y

Z=5

Z=4

Z=3.5

Z=2.5,2.0

Z=4.5

A.M. Spin vectorR<0.3kpc と

R<5kpc• R<5kpc• R<0.3kpc

Z=5

Z=4

Z=3.5

Z=2.5,2.0

Z=4.5

Z=4

Z=4.5

Z=3.0,2.5,　　 2.0

Z=3.5

• ・ Outer disk と Inner disk の A.M. は decouple.• ・ Merging により、 Inner disk の角運動量は大きく変わる

• 色について– 赤 : R=0.3kpc– 青 : R=5kpc– 黒 : R<Rvir

• ・ Spin の変化率と accretion rate を並べてみる– ・供給があったあと数百万

年のラグの後に spin vectorの向きが変わる

– ・ dM/dt>0 のピークのあとに spin の向きが変わる

Time delay

Spin vector &Gas Accretion

Rate1[deg] cos| || |

new old

new old

j jj j

x

y

zold

new

θ

まとめ• ・階層的構造形成宇宙の元での銀河形成シミュレー

ションから銀河中心部の進化について調べた (z=2 まで )

• ・ Simulation– ・ 2x100 万粒子 (baryon/DM) を用いた CDM 銀河形成シミュ

レーション (tophat) 銀河形成と銀河中心部進化を同時に見ることが可能

• ・結果– ・銀河中心部の成長は halo 質量の成長と比例関係 ( ～ 0.04)

• ・マージングによるステップ関数的な成長 (Time delay あり )

– ・ Inner gas disk の A.M. は galactic disk と decouple• ・ Innter disk A.M. の向きは、振ってきた物質の角運動量に依存• ・ AGN jets and disks (Seyfert; Kinney et al. 2000 、 Radio Galaxies; Sc

hmitt et al. 2000)

議論1. 銀河と銀河中心部の共成長？？？

– ・もし、銀河中心部のある割合が SMBH になるとする Spheroidal-SMBH 関係

– ・ SMBH になる割合の見積もりが必要– ・シミュレーションデータから Radiation Drag

の寄与を見積もり SMBH の成長を調べる・・・準備中

次のシミュレーションThe final paragraph about the need of 1pc and 1solar mass spatial and 　 mass resolution is too speculative and really unnecessary. It is clearly impossible that those limits will be reached by the next generation of specialized 　 supercomputers as suggested. That would 　 require a sudden increase in computing power 　 of many, many orders of 　 magnitude, well in excess of Moore‘s Law ...

He knows!

～ From ApJL referee report～

unless the cited reference has unless the cited reference has access to secret alien technology access to secret alien technology that is.that is.