2018 Fiscal Year Annual Research Report
Towards Precision Structure Formation Theory: cosmic distribution of baryons, metal, and dust
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17H01111
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
長峯 健太郎 大阪大学, 理学研究科, 教授 (50714086)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 理論天文学 / 銀河形成 / 数値シミュレーション / 超新星爆発 / 流体力学 / ダスト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまでに宇宙論的銀河形成SPHコード GADGET3-Osakaの物理モジュールの開発が終了し、銀河風によるフィードバック、ダストの形成破壊、CELib (Saitoh 2017) の詳細な超新星爆発による元素合成モデルを導入した宇宙論的銀河形成シミュレーションを実行した(Aoyama et al. 2017, 2018, 2019; Hou et al. 2017, 2019; Shimizu et al. 2019)。Osakaモデルでは、熱的フィードバックのみならず、運動力学的なフィードバックも考慮されており、局所的な物理量（例えばガスの密度や温度）を利用して超新星爆発バブルの大きさを計算し、それに応じてフィードバックを及ぼす範囲が決定されている。これによって、超新星Ia, II型、AGB星などによるフィードバックや金属汚染の効果を時間の関数としてより細かく高解像度で追うことが可能となり、ズームインシミュレーションにおいてより正確な星間物質の多相構造を分解することが期待される。このようなコードは世界的にもいくつかの限られたグループしか開発できておらず、非常に有意義なコード開発であると考えられる。Shimizu et al. (2019)の論文では、このOsakaフィードバックモデルによって実際に星形成が抑制されることを示し、様々な速度成分を持った銀河風が形成されることがわかった。また、孤立系銀河において、実際の銀河と似た金属量分布が再現できることもわかった。宇宙論的シミュレーションでは、銀河に含まれるダストに関する物理量の様々な分布やextinction curveの時間進化などを吟味した。このように宇宙論的シミュレーションでダストの形成・破壊に時間進化をきちんと取り扱えるコードは世界にほとんど存在せず、我々のグループが先行していると言えるだろう。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初予定していたコード開発はおおむね終了し、そのコードを用いてAGORAプロジェクトの孤立系銀河におけるテストも実行した（Shimizu et al. 2019）。また、宇宙論的銀河形成シミュレーションを100Mpc/h (comoving)の領域について実行し、light coneデータを作成した。また、PFS観測に対応したLyα forestの赤方偏移空間における吸収プロファイルを自前のコードで計算できるようになり、 PFS観測に対応したLyα forestの赤方偏移空間における吸収プロファイルも具体的に計算できるようになった。これらはシミュレーションの中における銀河間物質(Intergalactic medium; IGM)の熱的性質とその空間分布を観測と詳細に比較して、まず押さえなければいけない点であるので、重要なステップである。ダストの形成と破壊モデルについても、Hirashita (2015)による2-componentモデルの実装に成功し（Aoyama et al. 2017）、そのコードを用いて孤立系銀河と宇宙論的シミュレーションの両方においてダストに関する統計量及びextinction curveの空間分布などを計算することに成功した(Aoyama et al. 2018, 2019; Hou et al. 2017, 2019) 。これらについても世界で２グループ程しか成功していない重要な成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記のようにプロジェクト全体としては順調な進捗状況であるが、今後研究をさらに進めていく上でまだ不十分な点が残っている。Lyα forestの赤方偏移空間における吸収プロファイルは計算できるようになったが、フィードバックに関する制限をつけていくためにはそれに対応するメタルの吸収線を同時に計算しないといけない。これを背景紫外線場及び局所的な星形成による輻射場と整合的になるように計算するには、光電離計算を行う必要があり、計算量も増えて困難が増す。これについては二つの方策を練っている。まず一つ目は、Tridentコード(Hummels et al. 2017)を利用し、紫外背景放射を適切に考慮したメタル吸収線の計算を進めていく。二つ目は、Cloudyを利用し事前に関連する物理量の表を準備しておいて、シミュレーション内の物理量に応じて内挿することである。2019年度に双方 の手法を検討していく。また、中性水素(HI)ガスや銀河との相関を調べて、よりPFS観測に近いパラメータに合わせた視線計算を行い、観測提案の立案を行っていく。より具体的には、銀河・中性水素・メタルなどの２次元相互相関関数を計算し、PFS観測でどこまで探れるのかを観測家とも連携して検討と予測を行なっていく。広視野のすばる観測を活かすためには原始銀河団(PC)に関連付けたサイエンスを考えていく必要があり、PC周辺の金属汚染について、銀河と対比させながら、環境効果などを様々な元素について調べていく。PC領域は、フィールドに比べて高密度領域であり、銀河形成がより促進されていると考えられるので、金属汚染も早く進むはずであり、Type Ia, II超新星によるyieldの差が生まれる可能性もある。例えば、[O/Fe]などのalpha-enrichmentの違いをPC領域の中心からの距離及びredshiftの関数として求めて吟味する。
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