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磁気乱流による銀河系中心近傍ガスの
非円軌道運動の励起
鈴木 建，福井 康雄, 鳥居 和史 (名大理),
町田 真美 (九大理) & 松元 亮治 (千葉大理)
2015 年 6 月 3 日
Thanks to PC clusters(Ta lab.), Cray XC30 (NAOJ), HITACHI SR16000(Yukawa inst.)
はじめに: 銀河系の銀経–速度図
CO(J=1-0)
はじめに: 銀河系の銀経–速度図
Dame+ 2001
(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)
CO(J=1-0)
はじめに: 銀河系の銀経–速度図
Dame+ 2001
(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)
12 CO(J=1-0)NANTEN 観測
Torii+ 2010
CO(J=1-0)
はじめに: 銀河系の銀経–速度図
Dame+ 2001
(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)
12 CO(J=1-0)NANTEN 観測
Torii+ 2010
観測: l–3 図の平行四辺形
CO(J=1-0)
はじめに: 銀河系の銀経–速度図
Dame+ 2001
(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)
円運動のみ (以下:Kepler 回転) の場合
12 CO(J=1-0)NANTEN 観測
Torii+ 2010
観測: l–3 図の平行四辺形
CO(J=1-0)
はじめに: 銀河系の銀経–速度図
Dame+ 2001
(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)
円運動のみ (以下:Kepler 回転) の場合
12 CO(J=1-0)NANTEN 観測
Torii+ 2010
観測: l–3 図の平行四辺形
⇒ 非円運動の存在
従来: Bar⇔ 非円運動 ?
従来: Bar⇔ 非円運動 ?
Artistic view (NASA JPL)
Bar の存在 ⇐ 赤外観測
Matsumoto+ 1982;
Blitz & Spergel 1991;
Churchwell+ 2009
従来: Bar⇔ 非円運動 ?
Binney+ 1991
Artistic view (NASA JPL)
Bar の存在 ⇐ 赤外観測
Matsumoto+ 1982;
Blitz & Spergel 1991;
Churchwell+ 2009
従来: Bar⇔ 非円運動 ?
Binney+ 1991
Artistic view (NASA JPL)
Bar の存在 ⇐ 赤外観測
Matsumoto+ 1982;
Blitz & Spergel 1991;
Churchwell+ 2009
棒形状ガスを違う角度から見る
従来: Bar⇔ 非円運動 ?
Binney+ 1991
Artistic view (NASA JPL)
Bar の存在 ⇐ 赤外観測
Matsumoto+ 1982;
Blitz & Spergel 1991;
Churchwell+ 2009
棒形状ガスを違う角度から見る
⇒ 様々な形の平行四辺形
従来: Bar⇔ 非円運動 ?
Binney+ 1991
Artistic view (NASA JPL)
Bar の存在 ⇐ 赤外観測
棒形状ガスを違う角度から見る
⇒ 様々な形の平行四辺形
Matsumoto+ 1982;
棒ポテンシャルを考慮した仕事は沢山
Blitz & Spergel 1991;
Churchwell+ 2009 Koda & Wada 2002; Baba+ 2010; Molinari+ 2011
銀河中心の分子雲磁気ループ–磁場の重要性–
銀河中心の分子雲磁気ループ–磁場の重要性–
Fukui+ 2006
銀河中心の分子雲磁気ループ–磁場の重要性–
Machida+ 2009
Fukui+ 2006
銀河中心の分子雲磁気ループ–磁場の重要性–
Machida+ 2009
パーカー不安定性 (磁気浮力)
Parker 1966
Fukui+ 2006
銀河中心の分子雲磁気ループ–磁場の重要性–
Machida+ 2009
パーカー不安定性 (磁気浮力)
Parker 1966
Fukui+ 2006
磁場が動力学に影響
銀河中心の磁場
• > 50 µG
Crocker+ 2010
磁場がこれ以上弱いと電子のシンクロトロン損失が抑制
⇒ 逆コンプトン散乱により γ 線を作り過ぎ > EGRET(300MeV)
• フィラメントなどの複雑な形状
+ 動力学の議論 ⇒ ∼mG
Yusef-Zadeh+ 1984; Tsuboi+ 1986; Chuss+ 2003; Nishiyama+ 2010
圧力の概算値
• 分子雲 ガス圧: (
P ∼ 10−10 erg/cm3
• 乱流 実効圧:
)(
)(
T
100K
)
)
2
n
δ3
103 cm−3 30km/s
(
)2
B
4 × 10−10 erg/cm3 100µG
P ∼ 10−8 erg/cm3
• 磁気圧: P ∼
(
n
104 cm−3
本研究
本研究
磁場 ⇒ 非円運動の励起?
を磁気流体数値実験により調べる．
本研究
磁場 ⇒ 非円運動の励起?
を磁気流体数値実験により調べる．
• 軸対称ポテンシャル (Miyamoto & Nagai 1975)
Φ(R, z) =
∑3
i=1
√
−GMi
√
R2 +(ai + b2 +z2 )2
i
SMBH 1
Bulge 2
Disk 3
Mi (1010 M⊙ )
4.4 × 10−4
2.05
25.47
ai (kpc)
0
0
7.258
bi (kpc)
0
0.495
0.52
MHD シミュレーション
φ
r
θ
• 計算領域 (3D 球座標):
(r, θ, ϕ) = (0.01 − 60 kpc, ±π/3, 2π) (全周) を
(384,128,256) メッシュで解像
• 理想磁気流体力学方程式を解く
∂ρ
Mass consv.: ∂t + ∇ · (ρ3) = 0
2
( B·∇) B
Mom. consv.: d3 + 1 ∇( p + B ) −
+ ∇Φ = 0
Eng. consv.:
B evol.:
∂B
∂t
dt
ρ de
dt
ρ
8π
4πρ
= − p∇ · 3
= ∇ × (3 × B) with ∇ · B = 0
• 局所等温近似; 音速で 50-100 km/s
(分子雲の速度分散に対応)
(
)
R −1
• 初期磁場: B z = 0.71µG 1 kpc
in R > 35 pc
概観
2kpc-long
2kpc-short
1kpc-long
1kpc-short
0.6kpc-short
磁場の増幅
Center
Mass
Gravity
MagnetoRotational
Instability
Parker Instability
(Magnetic Boyancy)
Bφ Generation
by Differential
Rotation
Stratified MRI
磁気回転不安定性
パーカー不安定性
(磁気浮力)
Local MRI
巻き込み
上から眺める (@赤道面)
v=200(km/s)
1
n (cm-3)
t=439.02(Myr)
1000
Y (kpc)
0.5
0
100
-0.5
-1
-1
-0.5
0
X (kpc)
0.5
1
銀経–速度図 –銀河中心付近–
Column Density (|z|<0.2kpc, n > 100 cm-3) at t=439.02(Myr)
-0.25
x(kpc) at y=0
0
0.25
0.5
100
Velocity (km s-1)
200
100
10
0
1
-100
-200
0.1
4
3
2
1
0
l (deg)
-1
-2
-3
高密度 ( NH > 100 cm−3 ) 領域のみ積分 ⇒ 柱密度
-4
Column Density (1021cm-2)
-0.5
銀経–速度図 –銀河中心付近–
Column Density (|z|<0.2kpc, n > 100 cm-3) at t=439.02(Myr)
-0.25
x(kpc) at y=0
0
0.25
0.5
100
Velocity (km s-1)
200
100
10
0
1
-100
-200
0.1
4
3
2
1
0
l (deg)
-1
-2
-3
高密度 ( NH > 100 cm−3 ) 領域のみ積分 ⇒ 柱密度
形状は時間依存
-4
Column Density (1021cm-2)
-0.5
銀経–速度図 –観測との比較–
銀経–速度図 –観測との比較–
Column Density (|z|<0.2kpc, n > 100 cm-3) at t=439.02(Myr)
-0.25
x(kpc) at y=0
0
0.25
0.5
100
Velocity (km s-1)
200
100
10
0
1
-100
-200
0.1
4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4
l (deg)
Column Density (1021cm-2)
-0.5
銀経–速度図 –観測との比較–
Column Density (|z|<0.2kpc, n > 100 cm-3) at t=439.02(Myr)
-0.25
x(kpc) at y=0
0
0.25
0.5
100
Velocity (km s-1)
200
100
10
0
1
-100
-200
Column Density (1021cm-2)
-0.5
0.1
4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4
l (deg)
NANTEN 観測
Torii+ 2010
直接比較には N(H2 )/I(CO)(≈ 2.3 × 1020 cm−2 (K km s−1 )−1 ) 必要．
(Strong+ 1988)
非回転運動の励起
非回転運動の励起
銀河中心付近の平均磁場
≈ 0.5 mG
非回転運動の励起
銀河中心付近の平均磁場
≈ 0.5 mG
差動回転度合
(∂ ln Ω/∂ ln R) の
単純でない構造
⇒ 角運動量輸送のムラ
&磁場 (磁気圧) のムラ
⇒ 動径方向の運動
非回転運動の励起
銀河中心付近の平均磁場
≈ 0.5 mG
差動回転度合
(∂ ln Ω/∂ ln R) の
単純でない構造
⇒ 角運動量輸送のムラ
&磁場 (磁気圧) のムラ
⇒ 動径方向の運動
左図は複雑なので，次ページ ⇒
非回転運動の励起 –その 1–
Ω1
Ω2 Ω
3
Ω1 > Ω2 = Ω3
非回転運動の励起 –その 1–
B
αΜ,1
αM,2
αM,3
αM,2 > αM,1,αM,3
非回転運動の励起 –その 1–
B
Ω1
Ω2 Ω3
Ω1
Ω2
非回転運動の励起 –その 1–
B
Ω1
Ω2 Ω3
Ω1
Ω2
乱流による実効的粘性 (⇒ α 値)
角運動量の式 : [
∂
(ρr3ϕ ) + ∇ · r
∂t
ρ3ϕ 3 −
Bϕ
B+
4π
(
p+
B2r +B2z
8π
)
]
eϕ = 0
定常[, 軸対称近似かつ
( z 方向積分
)] ∂ t = ∇ϕ = 0
Bϕ B r
1 ∂
3
2
r ∂r ρr Ω3 r + r ρ δ3ϕ 3 r − 4πρ
[
]
∂
≡ 1r ∂r
ρr3 Ω3 r + r2 ρw rϕ = 0,
但し 3ϕ = rΩ + δ3ϕ (ケプラー回転 + 擾乱成分)
w rϕ = Reynolds 応力 (δ3ϕ 3 r ) + Maxwell 応力 (−
w rϕ ≡ αc2s ; α: the Shakura & Sunyaev parameter.
降着率は以下のように見積もられる
∫ :
∫
˙
M = −2πr3 r ρdz ≈ −2πw rϕ /Ω ρdz
Bϕ B r
)
4πρ
Exchange fluid elements by
‘‘stirring with a spoon’’
磁場の増幅
磁場の増幅
• 磁気回転不安定性の成長率
Center
ωMRI,max
Ω
1 ∂ ln Ω = 2 ∂ ln R ωMRI,max : MRI の最大成長率
MagnetoRotational
Instability
磁場の増幅
• 磁気回転不安定性の成長率
ωMRI,max
Center
Ω
1 ∂ ln Ω = 2 ∂ ln R ωMRI,max : MRI の最大成長率
MagnetoRotational
Instability
Bφ Generation
by Differential
Rotation
• 差動回転による巻き込み
∂B
∂t
= ∇ × (3 × B) より
∂ ln Ω
1 ∂Bϕ
= BR
Ω ∂t
∂ ln R
磁場の増幅
• 磁気回転不安定性の成長率
ωMRI,max
Center
Ω
1 ∂ ln Ω = 2 ∂ ln R ωMRI,max : MRI の最大成長率
MagnetoRotational
Instability
Bφ Generation
by Differential
Rotation
• 差動回転による巻き込み
∂B
∂t
= ∇ × (3 × B) より
∂ ln Ω
1 ∂Bϕ
= BR
Ω ∂t
∂ ln R
Ω
強い差動回転 ( ∂∂ ln
大)
ln R ⇒ 磁場増幅も大
非回転運動の励起 –その 1–
Ω1
Ω2 Ω
3
Ω1 > Ω2 = Ω3
非回転運動の励起 –その 1–
B
αΜ,1
αM,2
αM,3
αM,2 > αM,1,αM,3
非回転運動の励起 –その 1–
B
Ω1
Ω2 Ω3
Ω1
Ω2
非回転運動の励起 –その 1–
B
Ω1
Ω2 Ω3
Ω1
Ω2
非回転運動の励起 –その 2–
B
Ω1
Ω2 Ω
3
Ω1 > Ω2 = Ω3
非回転運動の励起 –その 2–
B
非回転運動の励起 –その 2–
B
PB,1
PB,2
PB,3
PB,2 > PB,1,PB,3
まとめ
軸対称ポテンシャルのもと，銀河バルジ+円盤の
磁気流体数値実験を行い
• 増幅磁場 ⇒ ガスの非円運動
• 位置–速度 ( l–3) 図: 時間依存する “平行四辺形”
を見い出した．
非円運動励起のメカニズム
• 差動回転がきつい場所: 角運動輸送大 & 磁場増幅大
• 差動回転がゆるい場所: 角運動輸送小 & 磁場増幅小
動径方向に回転周波数と磁気圧のムラを生じる．
⇒ ガスの動径方向 (つまり非円) 運動