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銀河スパイラル構造の形成と維持和田 桂一
第25回理論懇シンポジウム「計算宇宙物理学の新展開」2012年12月22-24日
鹿児島大学大学 理工学研究科 物理・宇宙専攻
関連論文 Baba, Wada, Saitoh (2012) arXiv:1211.5401
Wada, Baba, Saitoh (2011) ApJ 735,1
Fujii, Baba, Saitoh, Makino, Kokubo (2011) ApJ 730, 109
Baba, Saitoh, Wada (2010) PASJ 62, 1413
Baba, Asaki, Makino, Miyoshi, Saitoh, Wada (2009) ApJ 706, 471
Wada (2008) ApJ 675, 188
馬場淳一+Clare Dobbs → レビュー論文執筆中
2
ApJ 140, 640 (1964)
Toomre: spiral = 実体、差動回転によって壊され、重力不安定で再生される
Lin&Shu: disk 全体でregularなspiral をつくるのは難しい →
density wave
半世紀前の論争
Toomre(1969): 動径方向に波のエネルギーが輸送され、レゾナンスで吸収、減衰する (Toomre 1969) → 定常性維持には別の機構が必要
u
supersonic
subsonic
density
shock
Stellar poten?al
定常密度波が渦状ポテンシャルをつくり、超音速ガスが流れると、、、
cs
Conven?onal galac?c shock
銀河衝撃波 (Fujimoto 1968; Roberts 1969) と星形成
density
Spiral potential
Stream of the ISM
Gas velocity
decelerate
accelerate
shock ISM is compressed downstream
Star formation is triggered
Spiral arms are illuminated by OB stars
Ishibashi & Yoshii 1984
渦巻きが”きつく巻いた近似”で60-70年代いろいろ調べられた
4
オフセットする
と、ここまでが伝統的描像 でした(学会の教科書にも書いてあるし)
5
A classic ‘galac?c shock’ An inhomogeneous quasi-‐steady arm + inter-‐arm substructures
poten?al trough
poten?al troughRoberts 1969
定常銀河衝撃波は非現実的 3D, 自己重力 + cooling and hea?ng
6
Wada (2008)
Inhomogeneous arms are loosely associated with the background spiral potential.
Time [Myr]
stellar spiral poten?alは定常なのか?
7
“No” by Sellwood, Toomre, ... あまり顧みられていない
Toomreがちゃんと論文書かないとか、書いてもわかりにくいとか、Sellwoodがちょっと?偏屈だとか、、、、
Sellwood, Carlberg 1984 数回転でスパイラル消える→ ISMが必要
銀河渦巻きが自発的に生成 ⇒ 巻き込む ⇒壊れる&合体 ⇒ 再生成
3D、高精度計算(Fujii et al.)
⇒ 各spiralは非定常、but 全体では10Gyr以上常に存在
角度
半径
X10億年
銀河円盤=300万点の粒子
各モードは常に変動
Each spiral moves following the galactic rotation ⇒ Not “waves” with a constant pattern speed
Azim
uth
angl
e
High density regions of stars move slower in the outer part The spiral arms are in fact wound!
← Angular frequency of m=4 mode
Bar
spiralが準平衡的に維持される理由• spiralによる散乱(Linden-Bell&Kalnajis 1972)が限定的で星の速度分散があまり上がらない → 自己重力が効く
1) spiralの振幅が小さくなるので、散乱効果が弱まる(Fujii et al. 2011)2) spiralは、銀河回転と共回転 → 共回転共鳴(CR)による散乱は速度分散を増さない(Sellwood, Binney 2002; Baba+2012)
10
11
非定常渦巻きと構成粒子の運動 [線形段階 Lz保存して振動]
Baba+2012
Lz
Energyguiding center動かない
12
非定常渦巻きと構成粒子の運動 [非線形段階]
実空間でエピサイクル運動(kpcスケール)、角運動量空間で振動
⇒ 非線形段階では、guiding centerが動く(L, Eが変化)⇒ spiralの変動の原因
Baba, Wada,Saitoh (2012)
Lz
Energy
Rad
ius Lindblad diagram
EJ � E � �pL
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Lindblad diagram: spiral potential中の粒子軌道
resonanceによる散乱は、Jacobi integral = 一定の直線に
沿って動く
LL
E
CRによる散乱は、円軌道に対するcritical curveの接線方向に動く
速度分散を増さない
銀河渦巻きは銀河回転に乗っている どこでも CR
stellar spiral poten?alが非定常なら、星間ガスはどうなる?銀河衝撃波ってあるの?
14
15
V-‐band surface density Gas surface density + young stars
Spirals are wound (not `pabern’) recurrently formed
Non-‐sta?onary: stretchingbifurca?ng/merging
Gas arms are associated with stellar arms with substructure
Amplitude of stars and gas at different radii on their rotating frames
16
Stellar density
Gas density
KW, Baba, Saitoh (2011)
Gas clouds are associated with non-‐steady stellar arms, without clear offset.
←定常Galac?c Shock (Ishibashi &Yoshii 1984)
Ground-‐design density waves vs. N-‐body spirals
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radius
Rota?onal velocity
spiral
gas
Gas can be ‘supersonic’ for the spiral poten?al
Rota?onal velocity
radius
spiral
gas
Gas is ‘subsonic’ (random velocity ~ rela?ve velocity to the stellar poten?al).
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Gas veloci?es: Live vs. Rigid spiral
Random or converging flows Regular flows typically seen in galac?c shock
u
supersonic
subsonic
density
shock
Stellar poten?al
If ISM is supersonic rela?ve to a sta?onary poten?al, a shock could be formed.
cs
Conven?onal galac?c shock
u
supersonic
subsonic
Gas density poten?al
Both ISM and spiral poten?al follow galac?c rota?on
cs � vturb
vgas � vspiral � vrot
Gas flows Gas flows
�(x, t)
Spiral poten?al itself is ?me-‐dependent This makes the bound-‐clouds unbound.
new picture of galac?c spiral
まとめ:孤立系/non-barred銀河spiral structureの新描像
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■ 銀河の渦巻き構造 = 自己重力恒星円盤中の動的平衡構造鍵となる物理: 恒星系の非線形エピサイクル振動+銀河との共回転
■ 恒星系渦巻き&星間ガスは一体で運動 ⇒ 巻き込む⇒ ガスはポテンシャルに両側から落ち込んで高密度領域を作る ⇒ポテンシャルの変動とともに、inter-armに移動 ⇒ 新たな渦巻き腕をつくる
■ 渦状腕は「大局的な定常銀河衝撃波」ではない
(Baba, KW, Saitoh 2012)
動的恒星渦巻きになる根本的な物理が未解明
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•構成粒子の運動と動的構造の関係?•なぜ角運動量=一定のエピサイクル振動から構造が発現し、非線形エピサイクル振動への移行が起こるのか?•なぜ粒子の集団的運動=非定常spiralが発生するのか•弱い非線形のままで準定常になるのはなぜか?(大部分の粒子は渦巻き構造形成に参加していない)
•別のアプローチが必要?•大域結合した系の協同(同期)現象との関係(非線形物理)•位相空間での構造形成(プラズマ物理)、ただし多次元回転系
重力不安定+swing amplifica?on+Corota?on resonanceによる散乱 では説明になっていない
課題