[论文解读] Formation and Evolution of Galaxies: Les Houches Lectures

Simon D. M. White|ArXiv.org|Oct 14, 1994

Astronomy and Astrophysical Research被引用 18

一句话总结

本文提出了一套全面的星系形成与演化理论框架，整合了线性和非线性引力动力学、半解析建模以及N体/SPH模拟。结果表明，暗物质晕的分层聚集，结合反馈和冷却过程，能够再现星系的关键属性，如光度函数、角动量和形态特征，尽管模拟仍受限于空间分辨率和物理过程的不完整性。

ABSTRACT

This is a set of lecture notes based on the lectures on the formation and evolution of galaxies which were given by S. White at Les Houches in August 1993. This postscript file does not contain the 16 figures. A version containing these figures can be obtained by writing to: Fr. C. Rickl, MPI fuer Astrophysik, Karl-Schwarzschildstr. 1, 85740 Garching, Germany ([e-mail]).

研究动机与目标

• 通过结合引力动力学与半解析建模，发展一种统一的星系形成理论方法。
• 研究宇宙学背景和初始条件如何通过分层聚集影响星系形成。
• 评估半解析模型与N体/SPH模拟在再现观测到的星属性方面的可靠性。
• 考察反馈、冷却与并合过程在决定星系结构与光度函数中的作用。
• 评估星系分布在多大程度上追踪暗物质分布，以及过并合是否为星系团形成中的关键问题。

提出的方法

• 利用线性和非线性引力涨落增长理论，模拟早期结构形成。
• 应用拉格朗日微扰理论与泽尔多维奇近似，描述非球形坍缩与晕的形成。
• 采用球形与椭球形帽模型，研究非线性坍缩与 virialization（弛豫）过程。
• 利用峰值形式与普雷斯-谢斯特理论，预测晕的质量函数与并合历史。
• 将半解析模型与N体及光滑粒子流体动力学（SPH）模拟相结合，模拟暗物质晕中的星系形成。
• 引入冷却、恒星形成与反馈过程，推导星系的光度函数与结构属性。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始密度涨落在引力不稳定性与非线性坍缩作用下，如何演化为星系？
• RQ2 半解析模型与SPH模拟在多大程度上能再现观测到的星系光度函数与形态特征？
• RQ3 反馈过程、冷却与角动量转移在塑造星系结构与自转中起何种作用？
• RQ4 并合历史如何影响不同质量晕中星系的最终属性？
• RQ5 星系分布是否相对于暗物质分布存在偏置？在模拟中能否避免过并合问题？

主要发现

• 半解析模型成功生成了仅含一个主导星系的孤立星系晕，以及含多个明亮星系的星系团尺度晕，其光度函数与观测结果一致。
• 包含耗散气体组分的SPH模拟可勉强分辨星系团中星系的形成，表明过并合并非根本性障碍。
• 更高分辨率的模拟证实，最终晕中的并合过程更为彻底，导致形成单个主导星系，而非多个相似系统。
• 半解析模型与模拟之间的一致性令人鼓舞，但两者均受限于未解析的物理过程与数值不确定性，因此结果较为脆弱。
• 反馈过程至关重要，但在当前模拟中常被不充分地表示，因此解析模型在标定中不可或缺。
• 星系自转的起源与线性区的潮汐转矩相关，基于线性理论推导的标度律与观测趋势相符。