Studying the multi-scale gas dynamics of disk galaxies through numerical simulations

Abstract

En los discos galácticos, la rotación galáctica establece el movimiento global del gas, su energía y su momentum pueden transferirse hacia las escalas espaciales de las nubes moleculares. Además, en el medio interestelar, los movimientos aleatorios y no circulares surgen de la inyección de energía producto de la formación estelar, interacciones entre nubes, inestabilidades gravitacionales y termales, entre otros procesos. En esta tesis, nuestro objetivo es comprender hasta qué punto la dinámica del gas a pequeña escala se ve afectada por los movimientos a gran escala de la galaxia. Abordamos esta pregunta utilizando una cantidad inexplorada de mecánica de fluidos: la circulación de un fluido Γ, una medida macroscópica de rotación local, definida como la integral de línea del campo de velocidad alrededor de una trayectoria cerrada. Estudiamos cómo las contribuciones relativas de la rotación galáctica y los movimientos locales no circulares a la circulación del gas cambian en función de la escala. Como laboratorio de pruebas de nuestra técnica, utilizamos simulaciones numéricas de discos galácticos utilizando el código de refinamiento de malla adaptativa Enzo, junto con recetas de formación estelar y su inyección energética. Medimos la distribución de circulación a diferentes escalas para el conjunto de galaxias tipo disco simuladas. Modelamos el campo de velocidad del disco galáctico como la suma de la rotación galáctica y un campo aleatorio Gaussiano. Las distribuciones de Γ provenientes de la rotación galáctica y un campo aleatorio gaussiano tienen comportamientos diferentes a través de escalas espaciales. El campo aleatorio Gaussiano está parametrizado por una ley de potencia quebrada en el espacio de Fourier, con una transición en la escala λ c, similar a la forma del espectro de potencia de energía para fluidos bidimensionales. Definimos la escala espacial λ eq como la escala donde la rotación galáctica y los movimientos no circulares contribuyen igualmente a Γ. Para nuestras galaxias simuladas, la dinámica de los gases a escala de nubes moleculares suele estar dominada por movimientos no circulares, pero en el centro de los discos galácticos la rotación galáctica sigue siendo relevante. Nuestro modelo muestra que la transferencia de rotación desde grandes escalas se rompe en la escala λ c y esta transición es necesaria para reproducir la distribución de circulación. Encontramos que λ eq, y por lo tanto la estructura del campo de velocidad del gas, se establece por las condiciones locales de estabilidad gravitacional e inyección de energía producto de la formación estelar.