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

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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

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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）

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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

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Wada  (2008)

Inhomogeneous arms are loosely associated with the background spiral potential.

Time  [Myr]

stellar  spiral  poten?alは定常なのか？

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“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）

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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

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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？

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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

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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