[논문 리뷰] Secular Evolution in Disk Galaxies: The Growth of Pseudobulges and Problems for Cold Dark Matter Galaxy Formation

John Kormendy, David B. Fisher|arXiv (Cornell University)|2005. 07. 21.

Astronomy and Astrophysical Research참고 문헌 5인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 내부 과정, 예를 들어 바(bar)-유도 가스 유입에 의해 주도되는 비정기적 진화가 디스크은하의 허수부를 형성한다고 제안한다. 이 허수부는 고전적 부울지의 특성을 갖지만 디스크 물질에서 기인한다. 관측 결과는 허수부가 디스크 유사 성질(예: 날렵한 형상, 질서 잡힌 회전 운동)을 유지함을 보여주며, 융합에 의해 형성된 부울지와 구별된다. 주요 기여는 이러한 과정이 냉각된 암흑물질(CDM) 모델에 도전한다는 점이다. CDM 모델는 주요 융합 없이도 부울지가 없는 순수 디스크 은하의 존재를 설명하기 어려운 점에서 문제가 된다.

ABSTRACT

We review internal secular evolution in galaxy disks -- the fundamental process by which isolated disks evolve. We concentrate on the buildup of dense central features that look like classical, merger-built bulges but that were made slowly out of disk gas. We call these pseudobulges. As an existence proof, we review how bars rearrange disk gas into outer rings, inner rings, and gas dumped into the center. In simulations, this gas reaches high densities, and in the observations, many SB and oval galaxies show central concentrations of gas. Associated star formation rates imply plausible pseudobulge growth times of a few billion years. If secular processes built dense centers that masquerade as bulges, can we distinguish them from merger-built bulges? Observations show that pseudobulges retain a memory of their disky origin. They have one or more characteristics of disks: (1) flatter shapes than those of classical bulges, (2) larger ratios of ordered to random velocities, (3) smaller velocity dispersions, (4) nuclear bars or spiral structure, (5) boxy structure when seen edge-on, (6) nearly exponential brightness profiles, and (7) starbursts. These features occur preferentially in barred and oval galaxies in which secular evolution should be rapid. So the cleanest examples of pseudobulges are recognizable. Thus observations and theory contribute to a new picture of galaxy evolution that complements hierarchical clustering and merging. However, an important problem with cold dark matter galaxy formation gets more acute. How can hierarchical clustering produce so many pure disk galaxies with no evidence for merger-built bulges?

연구 동기 및 목표

• 허수부—디스크 은하의 조밀한 중심 성분—이 주로 내부 비정기적 과정에 의해 형성되며, 주요 융합에 의해 형성되지 않는다는 것을 입증하는 것.
• 비정기적 진화로 형성된 허수부와 융합에 의해 형성된 고전적 부울지 사이를 구별하는 관측적 및 역학적 특성들을 규명하는 것.
• 비정기적 진화에 의한 허수부 형성이 냉각된 암흑물질(CDM) 은하 형성 모델에 끼치는 영향을 정량화하는 것—특히 부울지가 없는 순수 디스크 은하의 존재와 관련하여.
• 비정기적 진화를 통한 허수부 형성이 CDM 우주론의 계층적 군집화와 늦은 유형 은하의 관측된 성질을 어떻게 조율할 수 있는지 평가하는 것.
• 내부 비정기적 과정과 계층적 군집화를 통합함으로써 은하 진화의 이해를 향상시키고, 은하 형성 모델에서 빠진 조각을 메우는 것.

제안 방법

• 자기중력 시스템의 물리학을 분석하여, 에너지와 운동량의 이동이 음의 비열용량(무작위 운동) 또는 운동량 재분배(회전 지지력)를 통해 디스크 확장과 중심 농축을 이끌어내는 원리를 설명한다.
• 비틀림 정리와 고정된 운동량 조건 하에서 에너지 최소화 원리를 적용하여, 외부로 향하는 운동량 이동이 디스크 확장과 중심 질량 농축을 초래함을 보여준다.
• 유체역학 시뮬레이션과 관측 데이터(Hubble 우주망원경, 지상 기반 촬영)를 사용하여 바와 타원형 구조에 의해 유도된 가스 유입을 모델링하고, 고밀도 중심 영역 형성을 시연한다.
• 세르시(Sérsic) 및 지수형 성분으로의 광도 분해를 통해 허수부의 구조를 정량화하며, 특히 고전적 부울지보다 낮은 형상과 거의 지수형 빛 밀도 프로파일을 분석한다.
• 속도 분산, 회전 지지력, 핵심 바, 나선형 구조, 상자형 형상 등의 형태적 특성과 비교하여 허수부와 고전적 부울지 사이의 운동학적 및 구조적 특징을 규명한다.
• 고전적 부울지와 허수부의 등급함수를 평가하여 부울지의 질량 예산과 비정기적 진화가 은하 구조 형성에 미치는 역할을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 바에 의해 유도되는 가스 유입과 같은 비정기적 과정이 주요 융합 없이도 디스크 은하의 조밀한 중심 성분을 설명할 수 있는가?
• RQ2 비정기적 진화로 형성된 허수부와 융합에 의해 형성된 고전적 부울지 사이를 구별하는 관측 가능한 성질은 무엇인가?
• RQ3 부울지가 없는 순수 디스크 은하의 관측된 풍부함이 냉각된 암흑물질(CDM) 은하 형성 모델의 예측에 얼마나 큰 도전이 되는가?
• RQ4 허수부의 성장은 늦은 유형 은하에서 부울지-디스크 분해의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비정기적 진화만으로도 계층적 군집화와 CDM 시뮬레이션의 맥락에서 관측된 은하의 구조적 및 운동학적 성질을 충분히 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 허수부는 바와 타원형 구조에 의해 주도되는 비정기적 진화를 통해 형성되며, 이 과정에서 운동량이 외부로 이동하고 가스가 은하 중심으로 모이게 되어 고밀도 중심 농축이 발생한다.
• 허수부는 디스크 유사 특성을 유지한다: 날렵한 형상, 질서 잡힌 운동 대 임의의 운동 비율이 높고, 속도 분산이 낮으며, 종종 핵심 바나 나선형 구조를 포함한다.
• 관측 결과는 바가 있는 은하와 타원형 구조가 있는 은하의 허수부가 거의 지수형 빛 밀도 프로파일을 보이며, 별 폭발과 연관되어 있어 형성 스케일이 수십억 년 정도임을 시사한다.
• Sb에서 Sc로의 전이에는 급격한 변화가 있다: Sb와 그 이전 유형은 고전적 부울지를 포함하지만, Sbc 이하의 유형은 주로 허수부를 포함하며, Sc 이하의 유형에서는 고전적 부울지의 증거가 거의 없다.
• 광도 분해 분석 결과, 늦은 유형 은하(Sbc, Sc, Scd, Sd)의 중앙부-전체 광도 비율 중앙값은 각각 0.17, 0.1, 0.03, 0.02로 나타나 고전적 부울지 성분이 극히 미미함을 보여준다.
• 특히 필드 영역에서 관측되는 부울지가 없는 순수 디스크 은하의 대규모 존재는 CDM 모델에 심각한 도전을 제기한다. CDM 모델는 자주 발생하는 주요 융합이 디스크를 파괴하고 고전적 부울지를 형성한다고 예측하기 때문이다.