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

はじめに: 銀河系の銀経–速度図

CO(J=1-0) Dame+ 2001

(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)

はじめに: 銀河系の銀経–速度図

CO(J=1-0) Dame+ 2001

(図は Rodriguez-Fernandez & Combes 2008)

12 CO(J=1-0)NANTEN 観測
Torii+ 2010

はじめに: 銀河系の銀経–速度図

CO(J=1-0) 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

はじめに: 銀河系の銀経–速度図

CO(J=1-0) 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

はじめに: 銀河系の銀経–速度図

CO(J=1-0) 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:n104 cm−3)(T100K)( n ) ( δ3 )2P ∼ 10−8 erg/cm3 103 cm−330km/s()2B• 磁気圧: P ∼ 4 × 10−10 erg/cm3100µG

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) =

∑3i=1

√−GMi
√
R2 +(ai + b2 +z2 )2i

SMBH 1Bulge 2
Disk 3

Mi (1010 M⊙ )4.4 × 10−4
2.05
25.47

ai (kpc)
00
7.258

bi (kpc)
00.4950.52

MHD シミュレーションφrθ

• 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∂ρMass consv.: ∂t + ∇ · (ρ3) = 02( B·∇) BMom. consv.: d3 + 1 ∇( p + B ) −+ ∇Φ = 0
ρ8π4πρ
dt
deEng. consv.: ρ dt = − p∇ · 3B evol.: ∂∂tB = ∇ × (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CenterMass

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)

1n (cm-3)

t=439.02(Myr)1000

Y (kpc)0.5

0100-0.5-1-1-0.50X (kpc)0.51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)-0.25x(kpc) at y=000.25

0.5100Velocity (km s-1)

200
100

1001-100-2000.1
43210l (deg)-1-2-3

高密度 ( NH > 100 cm−3 ) 領域のみ積分 ⇒ 柱密度-4Column 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)-0.25x(kpc) at y=000.25

0.5100Velocity (km s-1)

200
100

1001-100-2000.143210l (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-4Column 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)-0.25x(kpc) at y=0
00.25

0.5

100Velocity (km s-1)

200
100

1001-100-2000.1
4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4l (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)-0.25x(kpc) at y=000.25

0.5100Velocity (km s-1)

200
1001001-100-200

Column Density (1021cm-2)-0.50.1
4 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4l (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 Ω3
Ω1 > Ω2 = Ω3

非回転運動の励起 –その 1–BαΜ,1αM,2αM,3αM,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 : [Bϕ∂(ρr3ϕ ) + ∇ · r ρ3ϕ 3 − 4π B +∂t(B2 +B2p + r8π z)]eϕ = 0定常[, 軸対称近似かつ( z 方向積分)] ∂ t = ∇ϕ = 0
Bϕ B r1 ∂32r ∂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)

Bϕ B rw rϕ = Reynolds 応力 (δ3ϕ 3 r ) + Maxwell 応力 (− 4πρ )w rϕ ≡ αc2s ; α: the Shakura & Sunyaev parameter.
降着率は以下のように見積もられる∫ :∫Ṁ = −2πr3 r ρdz ≈ −2πw rϕ /Ω ρdz

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
CenterωMRI,maxΩ=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
CenterωMRI,maxΩ=1 ∂ ln Ω
2 ∂ ln R

ωMRI,max : MRI の最大成長率
MagnetoRotational
Instability• 差動回転による巻き込み∂B= ∇ × (3 × B) より∂t∂ ln Ω
1 ∂Bϕ= BRΩ ∂tBφ Generation
by DifferentialRotation∂ ln R

磁場の増幅• 磁気回転不安定性の成長率
CenterωMRI,maxΩ=1 ∂ ln Ω
2 ∂ ln R

ωMRI,max : MRI の最大成長率
MagnetoRotational
Instability• 差動回転による巻き込み∂B= ∇ × (3 × B) より∂t∂ ln Ω1 ∂Bϕ= BRΩ ∂tBφ Generation
by DifferentialRotation∂ ln RΩ
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 Ω3
Ω1 > Ω2 = Ω3

非回転運動の励起 –その 1–BαΜ,1αM,2αM,3αM,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 Ω3
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,1PB,2PB,3PB,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