[論文レビュー] Properties of disk galaxies in a hierarchical formation scenario

V. Ávila-Reese, C. Firmani|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、冷たい暗黒物質宇宙論における階層的で内側から外側へのディスク形成モデルを提案し、重力不安定性とエネルギーバランスを用いて星形成を制御する。星形成の主な要因は、初期の3要因であるバリアル質量、ハロー質量蓄積歴（MAH）、スピンパラメータ $\lambda$ であり、質量や星形成効率の依存性は最小限に抑えられる。これにより、銀河の性質と観測された相関関係（色-等級関係やTully-Fisher関係）が自然に生じることが示された。

ABSTRACT

We used galaxy evolutionary models in a hierarchical inside-out formation scenario to study the origin of the main properties and correlations of disk galaxies. We found that most of these properties and correlations are the result of three (cosmological) initial factors and their dispersions: the virial mass, the halo mass aggregation history (MAH), and the angular momentum given through the spin parameter λ. The MAH determines mainly the halo structure and the color indexes while λdetermines mainly the surface brightness and the bulge-to-disk ratio. We calculated star formation (SF) using a gravitational instability criterion and a self-regulation mechanism in the turbulent ISM. The efficiency of SF in this model is almost independent from the mass. We show that the luminosity-dependent dust absorption empirically determined by Wang & Heckman explains the observed color-magnitude and color Tully-Fisher (TF) relations without the necessity of introducing a mass-dependent SF efficiency. The disks in centrifugal equilibrium form within growing CDM halos with a gas accretion rate proportional to the MAH. The disks present exponential surface density and brightness profiles, negative radial color index gradients, and nearly flat rotation curves. We also calculated the secular formation of a bulge due to gravitational instabilities in the stellar disk. The intensive properties of our models agree with the observational data and the trends of the Hubble sequence are reproduced. The predicted infrared TF and luminosity-radius relations also agree with observations. The main shortcomings of our inside-out hierarchical models are the excessive radial color gradients and the dark halo dominion in the rotation curve decompositions.

研究の動機と目的

• ディスク銀河の主な観測的性質とその相関関係が、階層的かつ内側から外側への形成シナリオによって説明可能かどうかを調査すること。
• 宇宙論的初期条件、特にバリアル質量、ハロー質量蓄積歴（MAH）、スピンパラメータ $\lambda$ が銀河の性質に与える相対的影響を特定すること。
• 観測された色-等級関係およびTully-Fisher関係（TFR）が、質量依存性の星形成効率を仮定せずに再現可能かどうかをテストすること。
• 径方向の色勾配およびディスクの構造的性質（指数的プロファイル、平坦な回転曲線など）の起源を解明すること。
• モデルの限界、特に回転曲線分解における暗黒物質の過剰な支配の原因を評価すること。

提案手法

• 冷たい暗黒物質（CDM）ハロー内での内側から外側へのディスク形成をモデル化し、ガス降着率をハローのMAHに比例させる。
• 重力不安定性に基づく星形成基準と、乱流星間媒体におけるエネルギーバランスによる自己調整機構を実装する。
• Wang & Heckman（1996）から導出された光度依存性のダスト減光モデル（$A_B \approx 0.43 + 0.42\log(L_B/10^{10}L_\odot)$）を用い、観測色におけるダスト吸収を補正する。
• 角運動量保存と一定の $\lambda$ を仮定し、ディスク表面密度および明るさプロファイルを計算することで、指数的プロファイルを導出する。
• 星形成のための星のディスク内での重力不安定性による定常的バルジ形成をシミュレートし、バルジ対ディスク比に寄与する。
• NFWプロファイルでモデル化されたハローとディスク成分を組み合わせて回転曲線を評価し、観測結果と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バリアル質量、ハロー質量蓄積歴（MAH）、スピンパラメータ $\lambda$ がディスク銀河の全般的な性質にどの程度寄与するか。
• RQ2 質量依存性の星形成効率を仮定せずに、観測された色-等級関係およびTully-Fisher関係が再現可能か。
• RQ3 階層的で内側から外側への形成モデルにおいて、径方向の色勾配および表面輝度プロファイルはどのように生じるか。
• RQ4 なぜモデルにおける回転曲線分解では観測値よりも暗黒物質の支配が過剰に予測されるのか。
• RQ5 ダスト減光、定常的進化、非定常的星形成が、モデルの欠陥を緩和する役割を果たすか。

主な発見

• 角運動量保存と一定の $\lambda$ に加え、内側から外側へのディスク形成により、指数的表面輝度プロファイルとほぼ平坦な回転曲線が再現された。
• 径方向の $B-V$ 色勾配は負であり、外側が青い。これは内側が早く形成されたことと一致し、観測された色勾配と整合的である。
• Tully-Fisher関係は良好に再現され、散乱の主な要因は星形成効率ではなく、ハロー質量蓄積歴（MAH）の分散に起因する。
• 星形成効率がほぼ質量に依存しないため、星の質量-光度比 $M/L_B$ と $B-V$ 色指数は、銀河の質量にほとんど依存しない。
• 本モデルでは、Wang & Heckmanの観測された光度依存性のダスト減光が、質量依存性のSF効率を仮定せずとも、色-等級関係およびTFR関係を再現可能であることを説明した。
• 主なモデルの欠陥は、過剰な径方向の色勾配と、回転曲線分解における暗黒ハロー支配の過剰予測であり、これは標準CDMモデルの限界、あるいは浅いハロー・プロファイルや角運動量移動といった追加の物理的メカニズムの必要性を示唆している。