Численное моделирование столкновений сфероидальных галактик: эффективность потери массы барионными компонентами

  • Александр Викторович Титов Волгоградский государственный университет, Российская Федерация, 400062, Волгоград, пр. Университетский, 100
  • Александр Валентинович Хоперсков Волгоградский государственный университет, Российская Федерация, 400062, Волгоград, пр. Университетский, 100

Аннотация

На основе численного моделирования подробно рассмотрена динамика столкновения двух сфероидальных галактик, каждая из которых состоит из массивной подсистемы темной материи, звездной и газовой компонент, располагающихся внутри темного гало. Темное вещество и звезды являются бесстолкновительными системами, поэтому их динамика описывается моделью N тел, а газовая компонента - уравнениями газодинамики. Для вычисления гравитационных сил мы применяем метод прямого суммирования гравитационного вклада от каждой частицы, обеспечивая максимально возможную точность. Мы варьируем прицельный параметр, скорость начального сближения, массы трех компонент у каждой модели галактик с целью оценить относительные доли потерянных масс каждой из галактик в результате близких взаимодействий, а также доли масс газа и звезд, которыми обмениваются галактики в процессе рассеяния. Для оценки массы газа, которым обмениваются сталкивающиеся объекты, мы используем лагранжев подход для моделирования газодинамики - метод Smoothed Particle Hydrodynamics, позволяющий отслеживать траекторию каждой сглаженной частицы. В моделях столкновения близких по массе галактик наибольшие потери у бесстолкновительных компонент (темная материя + звезды) происходят в области параметров, разделяющих слияние двух объектов в один (большой мержинг), от случая рассеяния, когда после взаимодействия обе гравитирующих системы удаляются друг от друга. Если начальные массы галактик различаются сильно, то теряемая относительная доля массы велика у маломассивного объекта и мала у массивной галактики. Формирование глобальных ударных волн в сталкивающихся системах является ключевым фактором, определяющим эффективность выметания газа из гравитационных потенциальных ям. Эффективность перехода звездной компоненты от одного объекта к другому пренебрежимо мала. Обмен газом может превышать 10% для узкого интервала значений прицельного параметра и начальной скорости столкновения.
Ключевые слова:

численное моделирование, модель N тел, вычислительная газодинамика, метод SPH, столкновение галактик

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.
 

Литература

Литература

1. Shin E., Jung M., Kwon G., Kim J., Lee J., Jo Y., Oh B.K. Dark Matter Deficient Galaxies Produced via High-velocity Galaxy Collisions in High-resolution Numerical Simulations. The Astrophysical Journal 899, 25 (2020). https://doi.org/10.3847/1538-4357aba434

2. Khoperskov S., Zinchenko I., Avramov B., Khrapov S., Berczik P., Saburova A., Ishchenko M., Khoperskov A., Pulsoni C., Venichenko Yu., Bizyaev D., Moiseev A. Extreme kinematic misalignment in IllustrisTNG galaxies: the origin, structure, and internal dynamics of galaxies with a largescale counterrotation. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 500 (3), 3870–3888 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/staa3330

3. Peebles P. J. E. Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations. The Astrophysical Journal 265, L1–L5 (1982). https://doi.org/10.1086/183911

4. Blumenthal G.R., Faber S.M., Primack J.R., Rees M. J. Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter. Nature 311, 517–525 (1984). https://doi.org/10.1038/311517A0

5. Pillepich A., Springel V., Nelson D., Genel S., Naiman J., Pakmor R., Hernquist L., Torrey P., Vogelsberger M., Weinberger R., Marinacci F. Simulating galaxy formation with the IllustrisTNG model. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 473 (3), 4077–4106 (2018). https://doi.org/10.1093/mnras/stx2656

6. Wechsler R.H., Tinker J. L. The Connection Between Galaxies and Their Dark Matter Halos. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 56, 435–487 (2018). https://doi.org/10.1146/annurevastro- 081817-051756

7. Vogelsberger M., Marinacci F., Torrey P., Puchwein E. Cosmological simulations of galaxy formation. Nature Reviews Physics 2, 42–66 (2020). https://doi.org/10.1038/s42254-019-0127-2

8. Tacchella S., Diemer B., Hernquist L., Genel S., Marinacci F., Nelson D., Pillepich A., Rodriguez- Gomez V., Sales L., Springel V., Vogelsberger M. Morphology and star formation in IllustrisTNG: the build-up of spheroids and discs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 487 (4), 5416–5440 (2019). https://doi.org/10.1093/mnras/stz1657

9. Zeng G., Wang L., Gao L. Formation of massive disc galaxies in the IllustrisTNG simulation. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 507 (3), 3301–3311 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/stab2294

10. Pathak D., Belli S., Weinberger R. Quenching, Mergers, and Age Profiles for z = 2 Galaxies in IllustrisTNG. Astrophysical Journal Letters 916 (2), L23 (2021). https://doi.org/10.3847/2041- 8213/ac13a7

11. Karachentsev I.D., Karachentseva V. E., Suchkov A.A. Grebel E.K. Dwarf galaxy candidates found on the SERC EJ sky survey. Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 145, 415–423 (2000). https://doi.org/10.1051/AAS:3A2000249

12. Dokkum P. van, Danieli S., Cohen Y, Merritt A., Romanowsky A. J., Abraham R., Brodie J., Conroy C., Lokhorst D., Mowla L., O’Sullivan E., Zhang J. A galaxy lacking dark matter. Nature 555, 629–632 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25767

13. Makarova L.N., Makarov D. I. Spatial segregation impact on star formation in nearby dwarf spheroidal galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 502 (2), 1623–1632 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/stab143

14. Zasov A.V., Saburova A. S., Egorov O.V., Moiseev A.V. NGC 90: a hidden jellyfish galaxy? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 498 (1), 101–109 (2020). https://doi.org/10.1093/mnras/staa2283

15. Makarov D. Karachentsev I. Galaxy groups and clouds in the local (z ∼ 0.01) Universe. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 412, 2498–2520 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1365- 2966.2010.18071.x

16. Tutukov A.V., Lazareva G.G. and Kulikov I.M. Gas dynamics of a central collision of two galaxies: Merger, disruption, passage, and the formation of a new galaxy. Astronomy Reports 55 (9), 770–783 (2011). https://doi.org/10.1134/S1063772911090083

17. Vshivkov V.A., Lazareva G.G., Snytnikov A.V., Kulikov I.M., Tutukov A.V. Hydrodynamical code for numerical simulation of the gas components of colliding galaxies. The Astrophysical Journal Supplement 194, 47 (2011). https://doi.org/10.1088/0067-0049/194/2/47

18. Khrapov S. S., Khoperskov A.V., Korchagin V. I. Numerical Modelling of the Dynamics of the Galactic Halos in the Colliding Galaxies. Bulletin of the South Ural State University Series-Mathematical Modelling Programming & Computer Software 12 (2), 123–135 (2019). https://doi.org/10.14529/mmp190210

19. Kulikov I., Chernykh I., Tutukov A. A New Hydrodynamic Model for Numerical Simulation of Interacting Galaxies on Intel Xeon Phi Supercomputers. Journal of Physics: Conference Series 719, 012006 (2016). https://doi.org/10.1088/1742-6596/719/1/012006

20. Khrapov S. S., Khoperskov S.A., Khoperskov A.V. New features of parallel implementation of Nbody problems on GPU. Bulletin of the South Ural State University, Series: Mathematical Modelling, Programming and Computer Software 11 (1), 124–136 (2018).

21. Fridman A.M., Khoperskov A.V. Physics of Galactic Disks. Cambridge International Science Publishing (2013).

22. Smirnov A.A., Sotnikova N.Ya., Koshkin A.A. Simulations of slow bars in anisotropic disk systems. Astronomy Letters 43, 61–74 (2017). https://doi.org/10.1134/S1063773717020062

23. Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics. Reports on progress in physics 68, 1703– 1759 (2005). http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/68/8/R01

24. Khrapov S., Khoperskov A. Smoothed-particle hydrodynamics models: implementation features on GPUs. Communications in Computer and Information Science 793, 266–277 (2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-71255-0_21

25. Bogatko V. I., Potekhina E.A. To the Problem of Modeling Gas Flows Behind the Strong Shock Wave Front Using an Effective Adiabatic Index. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy (2020). [Eng. transl.: Vestnik St Petersburg University, Mathematics 53, 77–81 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063454120010033].

26. Khrapov S., Khoperskov A., Korchagin V. Modeling of Spiral Structure in a Multi-Component Milky Way-Like Galaxy. Galaxies 9 (2), 29 (2021). https://doi.org/10.3390/galaxies9020029

References

1. Shin E., Jung M., Kwon G., Kim J., Lee J., Jo Y., Oh B.K. Dark Matter Deficient Galaxies Produced via High-velocity Galaxy Collisions in High-resolution Numerical Simulations. The Astrophysical Journal 899, 25 (2020). https://doi.org/10.3847/1538-4357aba434

2. Khoperskov S., Zinchenko I., Avramov B., Khrapov S., Berczik P., Saburova A., Ishchenko M., Khoperskov A., Pulsoni C., Venichenko Yu., Bizyaev D., Moiseev A. Extreme kinematic misalignment in IllustrisTNG galaxies: the origin, structure, and internal dynamics of galaxies with a largescale counterrotation. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 500 (3), 3870–3888 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/staa3330

3. Peebles P. J. E. Large-scale background temperature and mass fluctuations due to scale-invariant primeval perturbations. The Astrophysical Journal 265, L1–L5 (1982). https://doi.org/10.1086/183911

4. Blumenthal G.R., Faber S.M., Primack J.R., Rees M. J. Formation of galaxies and large-scale structure with cold dark matter. Nature 311, 517–525 (1984). https://doi.org/10.1038/311517A0

5. Pillepich A., Springel V., Nelson D., Genel S., Naiman J., Pakmor R., Hernquist L., Torrey P., Vogelsberger M., Weinberger R., Marinacci F. Simulating galaxy formation with the IllustrisTNG model. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 473 (3), 4077–4106 (2018). https://doi.org/10.1093/mnras/stx2656

6. Wechsler R.H., Tinker J. L. The Connection Between Galaxies and Their Dark Matter Halos. Annual Review of Astronomy and Astrophysics 56, 435–487 (2018). https://doi.org/10.1146/annurevastro- 081817-051756

7. Vogelsberger M., Marinacci F., Torrey P., Puchwein E. Cosmological simulations of galaxy formation. Nature Reviews Physics 2, 42–66 (2020). https://doi.org/10.1038/s42254-019-0127-2

8. Tacchella S., Diemer B., Hernquist L., Genel S., Marinacci F., Nelson D., Pillepich A., Rodriguez- Gomez V., Sales L., Springel V., Vogelsberger M. Morphology and star formation in IllustrisTNG: the build-up of spheroids and discs. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 487 (4), 5416–5440 (2019). https://doi.org/10.1093/mnras/stz1657

9. Zeng G., Wang L., Gao L. Formation of massive disc galaxies in the IllustrisTNG simulation. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 507 (3), 3301–3311 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/stab2294

10. Pathak D., Belli S., Weinberger R. Quenching, Mergers, and Age Profiles for z = 2 Galaxies in IllustrisTNG. Astrophysical Journal Letters 916 (2), L23 (2021). https://doi.org/10.3847/2041- 8213/ac13a7

11. Karachentsev I.D., Karachentseva V. E., Suchkov A.A. Grebel E.K. Dwarf galaxy candidates found on the SERC EJ sky survey. Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 145, 415–423 (2000). https://doi.org/10.1051/AAS:3A2000249

12. Dokkum P. van, Danieli S., Cohen Y, Merritt A., Romanowsky A. J., Abraham R., Brodie J., Conroy C., Lokhorst D., Mowla L., O’Sullivan E., Zhang J. A galaxy lacking dark matter. Nature 555, 629–632 (2018). https://doi.org/10.1038/nature25767

13. Makarova L.N., Makarov D. I. Spatial segregation impact on star formation in nearby dwarf spheroidal galaxies. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 502 (2), 1623–1632 (2021). https://doi.org/10.1093/mnras/stab143

14. Zasov A.V., Saburova A. S., Egorov O.V., Moiseev A.V. NGC 90: a hidden jellyfish galaxy? Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 498 (1), 101–109 (2020). https://doi.org/10.1093/mnras/staa2283

15. Makarov D. Karachentsev I. Galaxy groups and clouds in the local (z ∼ 0.01) Universe. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 412, 2498–2520 (2011). https://doi.org/10.1111/j.1365- 2966.2010.18071.x

16. Tutukov A.V., Lazareva G.G. and Kulikov I.M. Gas dynamics of a central collision of two galaxies: Merger, disruption, passage, and the formation of a new galaxy. Astronomy Reports 55 (9), 770–783 (2011). https://doi.org/10.1134/S1063772911090083

17. Vshivkov V.A., Lazareva G.G., Snytnikov A.V., Kulikov I.M., Tutukov A.V. Hydrodynamical code for numerical simulation of the gas components of colliding galaxies. The Astrophysical Journal Supplement 194, 47 (2011). https://doi.org/10.1088/0067-0049/194/2/47

18. Khrapov S. S., Khoperskov A.V., Korchagin V. I. Numerical Modelling of the Dynamics of the Galactic Halos in the Colliding Galaxies. Bulletin of the South Ural State University Series-Mathematical Modelling Programming & Computer Software 12 (2), 123–135 (2019). https://doi.org/10.14529/mmp190210

19. Kulikov I., Chernykh I., Tutukov A. A New Hydrodynamic Model for Numerical Simulation of Interacting Galaxies on Intel Xeon Phi Supercomputers. Journal of Physics: Conference Series 719, 012006 (2016). https://doi.org/10.1088/1742-6596/719/1/012006

20. Khrapov S. S., Khoperskov S.A., Khoperskov A.V. New features of parallel implementation of Nbody problems on GPU. Bulletin of the South Ural State University, Series: Mathematical Modelling, Programming and Computer Software 11 (1), 124–136 (2018).

21. Fridman A.M., Khoperskov A.V. Physics of Galactic Disks. Cambridge International Science Publishing (2013).

22. Smirnov A.A., Sotnikova N.Ya., Koshkin A.A. Simulations of slow bars in anisotropic disk systems. Astronomy Letters 43, 61–74 (2017). https://doi.org/10.1134/S1063773717020062

23. Monaghan J. J. Smoothed particle hydrodynamics. Reports on progress in physics 68, 1703– 1759 (2005). http://dx.doi.org/10.1088/0034-4885/68/8/R01

24. Khrapov S., Khoperskov A. Smoothed-particle hydrodynamics models: implementation features on GPUs. Communications in Computer and Information Science 793, 266–277 (2017). https://doi.org/10.1007/978-3-319-71255-0_21

25. Bogatko V. I., Potekhina E.A. To the Problem of Modeling Gas Flows Behind the Strong Shock Wave Front Using an Effective Adiabatic Index. Vestnik of Saint Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy (2020). [Eng. transl.: Vestnik St Petersburg University, Mathematics 53, 77–81 (2020). https://doi.org/10.1134/S1063454120010033].

26. Khrapov S., Khoperskov A., Korchagin V. Modeling of Spiral Structure in a Multi-Component Milky Way-Like Galaxy. Galaxies 9 (2), 29 (2021). https://doi.org/10.3390/galaxies9020029

Опубликован
2022-04-11
Как цитировать
Титов, А. В., & Хоперсков, А. В. (2022). Численное моделирование столкновений сфероидальных галактик: эффективность потери массы барионными компонентами. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 9(1), 176-189. https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.117
Раздел
Астрономия