Formation of Disk Galaxies

宇宙の基本構成要素である銀河の約半数は渦巻銀河であり，我々の太陽系が属する銀河 (天の川銀河) も渦巻銀河に分類されることが知られています．そのため，渦巻銀河の形成進化過程の解明は，天の川銀河の形成，ひいては太陽系の起源の理解に繋がる重要な課題と考えられます．そこで，本研究 (若手研究 B) では，大規模N体/流体シミュレーションを用いて，天の川銀河・近傍銀河・初期銀河円盤の星間ガスの物理的・化学的性質，及び銀河間物質の降着過程が銀河円盤の構造や進化に与える力学的影響を調べ，円盤銀河形成の動的シナリオを構築することを目指しています．なお，本研究は『若手研究(B)："宇宙初期における円盤銀河形成過程の解明" (KAKEN)』(研究課題番号：26800099; 代表者：馬場淳一; 平成26年度 - 29年度) の支援のもと行なわれています．

｜研究背景：

『円盤銀河形成過程：静的描像から動的描像へ』

渦巻銀河 (以降，円盤銀河) の主要構造である銀河円盤は力学的に冷たく，外的摂動に弱い構造であるため，宇宙構造形成の標準理論である冷たいダークマター (Cold Dark Matter; 略して CDM) 仮説に基づき，重力収縮したCDMハロー内での高温ガスハローの輻射冷却と，それに伴うゆっくりとしたガス降着という比較的静的なシナリオが支持されてきました．しかし，近年の初期銀河円盤の観測や理論的研究により，円盤銀河の形成過程は，激しい星形成や強い星形成フィードバック，激しい銀河間ガスの降着などと伴う可能性が示唆されています．このように，円盤銀河形成の標準シナリオは動的描像へと修正を迫られているものの，その物理素過程は十分に明らかになっていないのが現状です．これらの理解のためには，天の川銀河や近傍銀河の詳細な観測データの取得，及び観測データと理論モデル の比較が必須です．

『銀河の全バリオン成分(=星＋ガス)の進化の理解』

また，これまで銀河形成進化の研究は，主に光・近赤外線サーベイによる「星成分」の観測と，それを再現するための理論研究（シミュレーション/準解析的モデル）により進められてきました．しかし，銀河のバリオン成分は星成分に加え，星間ガス（特に原子・分子からなる低温ガス）も重要な成分となっています．特に，形成段階にある遠方銀河では，バリオン成分における星間ガス成分が占める割合が大きくなっていることが観測的に明らかになりつつあります．さらに，低温ガス成分は，星形成の材料であると同時にフィードバックの重要な情報を含んでいると期待されています（e.g. Morokuma-Matsui, Baba et al. 2015; Morokuma-Matsui & Baba 2015）．従って，銀河の形成進化を理解するためには，今後，ALMAなどで観測が期待される「低温ガス成分」の観測的理解と，その量や運動状態の進化も再現する理論モデルの構築が必須となると考えられます．

｜研究計画：

本研究では，円盤銀河形成の動的シナリオの構築を大目標として，スーパーコンピューターを用いた銀河形成進化に関連する素過程に着目した銀河の大規模N体/流体シミュレーションを行うことで，研究期間内に以下の点を明らかにする計画です．

  1. 銀河構造の動力学進化を明らかにする (→ Baba 2015)

  2. 銀河スケールの星間ガスと星形成の性質を明らかにする (→ Baba et a. 2017)

  3. 銀河動力学構造と星間媒質の相互作用を明らかにする (→ Baba et al. 2015; Baba et al. 2016; Baba et al. 2017)

さらに、これらの研究を通じて、

  1. 宇宙初期の円盤銀河の性質を明らかにする：

    • 前述の研究で検証したモデルを用いて，初期銀河円盤の大規模N体/流体シミュレーションを行う．

    • これにより初期銀河円盤における分子ガス・中性原子ガス・電離ガスそれぞれの量や空間分布，及び運動学的性質を調べる．

    • また，今後のALMA望遠鏡などによる初期銀河円盤の分子ガス観測への理論的示唆を行う.

  2. ハローからのガス降着と銀河円盤形成の関係を明らかにする：

    • ハローからのガス降着を考慮した銀河円盤の大規模 N 体/流体シミュレーションを行い，ガス降着が銀河円盤に与える影響を系統的に調べる.

    • これにより円盤銀河形成の動的シナリオを構築する．

｜主な雑誌論文 (共同研究を含む)：

  1. J. Baba: "Short-term dynamical evolution of grand-design spirals in barred galaxies", 2015, MNRAS, Volume 454, Issue 3, pp. 2954-2964 [ADS]

  2. J. Baba, K. Morokuma-Matsui, & F. Egusa: "Radial distributions of arm-gas offsets as an observational test of spiral theories", 2015, PASJ, Volume 67, Issue 4, pp. L45-49 [ADS]

  3. J. Baba, K. Morokuma-Matsui, Y. Miyamoto, F. Egusa, & N. Kuno: "Gas velocity patterns in simulated galaxies: Observational diagnostics of spiral structure theories", 2016, MNRAS, Volume 460, pp.2472-2481 [ADS]

  4. J. Baba, K. Morokuma-Matsui, & T. R. Saitoh: "Eventful Evolution of Giant Molecular Clouds in Dynamically Evolving Spiral Arms", 2017, MNRAS, Volume 464, pp.246-263 [ADS][4D2U Movie]

  5. J. Kumamoto, J. Baba, & T. R. Saitoh: "Imprints of Zero-Age Velocity Dispersions and Dynamical Heating on the Age-Velocity dispersion Relation", 2017, PASJ, Volume 69, pp.32- [ADS]

  6. Morokuma-Matsui, K., & Baba, J.:"Redshift evolution of stellar mass versus gas fraction relation in 0 < z < 2 regime: an observational constraint for galaxy formation models", accepted to MNRAS (2015) [ADS]

  7. Morokuma-Matsui, K., Baba, J. et al.: "CO emissions from optically selected galaxies at z~0.1-0.2: Tight anti-correlation between molecular gas fraction and 4000 \AA break strength", PASJ, 67, 36, (2015) [ADS]

  8. Morokuma-Matsui, K., Baba, J. et al.:"Gas accretion history of galaxies at z ~ 0 - 2: Comparison of the observational data of molecular gas with the mass evolution model of galaxies", IAUS, 309, 332, (2015) [ADS]

｜主な研究成果発表・関連研究成果：

  1. Junichi Baba, K. Morokuma-Matsui, & T.R Saitoh：The Structure and Kinematics of the ISM of Star-Forming Galaxies, International Astronomical Union Symposium 309: GALAXIES IN 3D ACROSS THE UNIVERSE, July 7-11, 2014, Vienna, Austria, (ポスター講演) [ポスター] [IAU集録]

  2. Junichi Baba et al.：Revolution in Astronomy with ALMA - The 3rd Year, December 8-11, 2014, Tokyo, Japan, (ポスター講演)

  3. J. Baba：Dynamics of Spiral Structures in Disk Galaxies, 招待講演, The 6th East-Asian Numerical Astrophysics Meeting, 2014/09/15-19, Suwon, Korea

  4. 馬場淳一：銀河シミュレーションで探 る銀河構造と星形成、招待講演、「大質量星形成銀河系から近傍銀河まで -ALMA が動いた今-」、2014/09/13-14、茨城大学

  5. 馬場淳一：棒状銀河の渦状腕のダイナ ミクス、口頭講演、日本天文学会 2014 年秋季年会

  6. 馬場淳一 他：棒状渦巻銀河における分 子雲形成進化の環境依存性、口頭講演、 日本天文学会 2015 年春季年会

  7. 馬場淳一：数値シミュレーションによ る銀河系モデル、招待講演、天の川銀河 研究会 2015、2015/03/23-24、東京大学

  8. 馬場 淳一 他：渦状腕理論の新たな観測 的診断法の提案: arm-gas offset 法、ポスター講演、日本天文学会 2015年秋季年会

  9. 馬場淳一 他：非平衡化学反応を考慮した銀河シミュレーションよる多相星間ガスの性質，日本天文学会2015年秋季年会 (2015.9) (口頭発表

  10. 馬場淳一：非平衡化学反応を考慮した銀河シミュレーションよる多相星間ガスの性質，星形成の諸階層 - 銀河から惑星まで -，フォレスト箱根 (2015.9) (口頭発表)

  11. 諸隈佳菜，馬場淳一 ：0<z<2における銀河のガスの割合の進化: 観測とモデルの比較，日本天文学会2015年春季年会 (2015.3) (ポスター発表)

  12. 諸隈佳菜，馬場淳一 他：4000 Å ブレイクの強さと星質量に対する分子ガスの割合との関係，日本天文学会2015年春季年会 (2015.3) (口頭発表)

  13. 諸隈佳菜，馬場淳一 ：0<z<2における銀河のガスの割合の進化: 観測とモデルの比較，天の川銀河研究会 (2015.3.23) (口頭発表)

  14. 諸隈佳菜，馬場淳一 他：4000 Å ブレイクの強さと星質量に対する分子ガスの割合との関係 II，日本天文学会2015年秋季年会 (2015.9) (口頭発表)

｜開催した研究会：

｜公開データ・コード (準備中)：

  • Chemical Equilibrium Reaction Library (CEQLib)

  • Baba et al. (2017) シミュレーションデータ → [詳細]

  • Synthetic observation of the Galactic-scale multiphase ISM → [詳細]

｜研究成果の社会への発信：

  • 国立天文台 4D2U 動画「天の川銀河紀行」[リンク]