[论文解读] Bars and secular evolution in disk galaxies: Theoretical input

E. Athanassoula|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 8

一句话总结

本文提出了一套关于盘星系中棒驱动的长期演化过程的理论框架，证明棒通过共振重新分配角动量，导致棒在垂直方向上增厚形成盒状/花生状核球，并驱动结构演化，如伪核球的形成和盘面尺度长度的增长。关键结果表明，当棒发出的角动量被星系晕和外盘最优地吸收时，棒的强度和寿命达到最大，这解释了银河系棒的观测形态。

ABSTRACT

Bars play a major role in driving the evolution of disk galaxies and in shaping their present properties. They cause angular momentum to be redistributed within the galaxy, emitted mainly from (near-)resonant material at the inner Lindblad resonance of the bar, and absorbed mainly by (near-)resonant material in the spheroid (i.e., the halo and, whenever relevant, the bulge) and in the outer disk. Spheroids delay and slow down the initial growth of the bar they host, but, at the later stages of the evolution, they strengthen the bar by absorbing angular momentum. Increased velocity dispersion in the (near-)resonant regions delays bar formation and leads to less strong bars. When bars form they are vertically thin, but soon their inner parts puff up and form what is commonly known as the boxy/peanut bulge. This gives a complex and interesting shape to the bar which explains a number of observations and also argues that the COBE/DIRBE bar and the Long bar in our Galaxy are, respectively, the thin and the thick part of a single bar. The value of the bar pattern speed may be set by optimising the balance between emitters and absorbers, so that a maximum amount of angular momentum is redistributed. As they evolve, bars grow stronger and rotate slower. Bars also redistribute matter within the galaxy, create a disky bulge (pseudo-bulge), increase the disk scale-length and extent and drive substructures such as spirals and rings. They also affect the shape of the inner part of the spheroid, which can evolve from spherical to triaxial.

研究动机与目标

• 理解棒如何通过角动量再分配在盘星系中驱动长期演化。
• 阐明共振和球状成分在调节棒的生长与演化中的作用。
• 解释盒状/花生状核球的形成及其观测意义，包括银河系棒的性质。
• 研究速度弥散和晕的性质如何影响棒的强度和演化 timescales。
• 确定角动量再分配达到最大时的条件，以优化棒的演化。

提出的方法

• 使用带有活动晕的N体模拟来模拟棒的形成与演化，避免使用刚性组件，以防止人为限制角动量交换。
• 应用轨道结构理论，解释棒在共振区域中因垂直增厚而形成盒状/花生状形状的机制。
• 分析棒、盘与球状成分（晕和核球）之间的角动量转移，重点关注内 Lindblad 共振和外 Lindblad 共振。
• 评估盘和球状成分中速度弥散对共振活动以及角动量发射/吸收的影响。
• 研究棒的图案速度、超前半径和棒长度随时间的演化，以评估棒如何随时间变强且变慢。
• 将模拟结果与观测数据对比，如 COBE/DIRBE 和银河系中的长棒，以推断棒的三维结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 棒如何在盘星系中重新分配角动量，共振在此过程中起到什么作用？
• RQ2 为什么棒会增厚形成盒状/花生状核球，这种垂直增厚的径向范围由什么决定？
• RQ3 球状成分（晕和/或核球）的存在如何影响棒的形成与演化，特别是在早期与晚期阶段？
• RQ4 盘和球状成分中的速度弥散在延迟棒形成和削弱棒强度方面起什么作用？
• RQ5 在什么条件下角动量再分配达到最大，这与观测到的棒的强度和图案速度有何关联？

主要发现

• 棒通过N体模拟自发形成，并通过角动量再分配演化，主要在内 Lindblad 共振处发射角动量，而在星系晕和外盘中吸收角动量。
• 星系晕延缓了棒的初始生长，但随后通过吸收角动量增强棒的强度，导致球状成分与盘的质量比越高，棒越强。
• 盘或星系晕中速度弥散的增加会降低共振活动，从而削弱棒并延迟其形成。
• 棒初始时垂直方向较薄，但在其内区因轨道拥挤而迅速增厚，形成盒状/花生状核球，其径向范围延伸至约（0.7 ± 0.3）倍的棒长。
• COBE/DIRBE 棒与银河系中的长棒分别被解释为同一根垂直延伸棒的薄部与厚部。
• 随着棒变长，其强度增强而图案速度减小，最强的棒出现在角动量再分配达到最大时，而非星系晕质量最大时。