[논문 리뷰] Properties of disk galaxies in a hierarchical formation scenario

V. Ávila-Reese, C. Firmani|arXiv (Cornell University)|2000. 01. 24.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 23

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 암흑물질 우주론 내에서 중력 불안정성과 에너지 균형을 이용해 별 형성의 조절을 하는 계층적 안쪽에서 바깥으로 향하는 디스크 형성 모델을 제안한다. 이 모델은 은하의 성질과 관측된 상관관계—색깔-등급 관계 및 툴리-파이저 관계—가 주로 세 가지 초기 요인, 즉 비르יאל 질량, 헬로 질량 집적력 역사(MAH), 스핀 매개변수 $\lambda$에 의해 결정되며, 질량이나 별 형성 효율에 거의 의존하지 않는다는 것을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 디스크 은하의 주요 관측 성질과 그 상관관계가 계층적이고 안쪽에서 바깥으로 향하는 형성 시나리오로 설명될 수 있는지 조사하기.
• 은하 성질을 결정하는 데 있어 우주의 초기 조건—특히 비르יאל 질량, 헬로 질량 집적력 역사(MAH), 스핀 매개변수 $\lambda$—의 상대적 역할을 규명하기.
• 관측된 색깔-등급 관계 및 툴리-파이저 관계(TFR)가 질량에 따라 달라지는 별 형성 효율을 가정하지 않고 재현될 수 있는지 테스트하기.
• 반경 방향 색깔 기울기와 지수형 프로파일, 평탄한 회전곡선 등 디스크의 구조적 성질이 어떻게 유래되는지 고찰하기.
• 모델의 한계를 평가하기, 특히 회전곡선 분해에서 어두운 물질의 지나친 지배를 초래하는 문제점에 초점하기.

제안 방법

• 냉각된 암흑물질(CDM) 헬로 내에서 안쪽에서 바깥으로 성장하는 디스크 은하 형성 모델링을 수행하며, 가스 유입률을 헬로의 MAH 비례로 설정한다.
• 중력 불안정성 기반의 별 형성 조건과 난류성 은하간 매질 내 에너지 균형에 의해 구동되는 자가 조절 메커니즘을 구현한다.
• 왕과 헤크먼(1996)의 결과에서 유도된 빛의 의존성 있는-dust 흡수 모델을 사용하여 관측 색깔의 먼지 흡수를 보정한다. $A_B \approx 0.43 + 0.42\log(L_B/10^{10}L_\odot)$.
• 각운동량 보존과 일정한 $\lambda$ 조건 하에서 디스크 표면 밀도 및 빛의 밀도 프로파일을 계산하여 지수형 프로파일을 도출한다.
• 은하핵 형성의 천천히 진행되는 과정을 중력 불안정성에 의해 유도된 별 디스크에서 발생하는 것으로 모델링하며, 디스크 대비 핵의 비율에 기여한다.
• 디스크와 헬로 성분을 조합하여 회전곡선을 평가하며, 헬로는 나바르로-프랭크-화이트(NFW) 프로파일로 모델링하고 관측 결과와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비르יאל 질량, 헬로 질량 집적력 역사(MAH), 스핀 매개변수 $\lambda$가 디스크 은하의 전반적 성질을 어느 정도 결정하는가?
• RQ2 질량에 따라 달라지는 별 형성 효율을 가정하지 않고도 관측된 색깔-등급 관계 및 툴리-파이저 관계(TFR)를 재현할 수 있는가?
• RQ3 계층적 안쪽에서 바깥으로 향하는 형성 모델에서 반경 방향 색깔 기울기와 표면 밀도 프로파일은 어떻게 발생하는가?
• RQ4 왜 모델의 회전곡선 분해에서 관측 결과보다 어두운 물질 지배가 지나치게 강하게 나타나는가?
• RQ5 먼지 흡수, 천천히 진행되는 진화, 비정적 별 형성의 역할은 모델의 한계를 완화하는 데 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 내부에서 바깥으로 향하는 디스크 형성과 각운동량 보존, 일정한 $\lambda$ 조건으로 인해 지수형 표면 밀도 프로파일과 거의 평탄한 회전곡선을 재현한다.
• 반경 방향 $B-V$ 색깔 기울기는 음수이며, 외곽부가 더 파랗다는 것은 내부 영역이 더 일찍 형성되었음을 반영하며, 관측된 색깔 기울기와 일치한다.
• 툴리-파이저 관계는 잘 재현되며, 산란은 주로 헬로 질량 집적력 역사(MAHs)의 산란에 기인하고, 별 형성 효율에 기인하지 않는다.
• 은하 질량에 따라 거의 영향을 받지 않는 별질량-광도 비율 $M/L_B$와 $B-V$ 색인은 별 형성 효율이 거의 질량에 의존하지 않기 때문이다.
• 모델은 왕과 헤크먼의 결과에서 유도된 관측된 빛의 의존성 있는 먼지 흡수를 충분히 설명하며, 질량에 따라 달라지는 별 형성 효율을 도입하지 않아도 색깔-등급 관계 및 TFR 관계를 재현할 수 있다.
• 모델의 주요 한계는 지나친 반경 방향 색깔 기울기와 회전곡선 분해에서 어두운 헬로 지배의 과도한 예측으로, 이는 표준 CDM 모델의 한계 또는 더 얕은 헬로 프로파일이나 각운동량 이행을 고려한 추가 물리 모델이 필요함을 시사한다.