[论文解读] Origins and lifetimes of secular and tidal bars in simulated disc galaxies

Matthew Frosst, Danail Obreschkow+2 more|ArXiv.org|Aug 20, 2025

Astronomy and Astrophysical Research被引用 3

一句话总结

该研究在 TNG50 中分析 307 个银河系质量盘状星系，识别自生与潮汐诱导的棒，提出潮汐强度指标 S_bar，并将棒形成通道与中心恒星/暗物质质量分数及寿命联系起来。

ABSTRACT

We investigate the formation of stellar bars in 307 Milky Way-mass disc galaxies in the TNG50 cosmological simulation. Most bars form rapidly in dynamically cold discs shortly after the central stellar mass exceeds that of dark matter. In these cases, bar formation is consistent with secular instabilities driven by the disc's self-gravity, which organises stellar orbits into a coherent bar structure. However, around 25 per cent of barred galaxies are dark matter dominated at the time of bar formation, $t_{bar}$, and remain so thereafter. We trace the origin of these bars to tidal perturbations induced by passing satellites or mergers using a new metric, $S_{bar}$, quantifying the tidal field acting on the galaxy. At the time of bar formation, we find a negative correlation between $S_{bar}$ and the central stellar-to-dark matter mass fraction, indicating that more dark matter-dominated discs require stronger tides to trigger bar formation. These tidally induced bars are more likely to be transient than those that form secularly, although bar properties are otherwise similar. However, the host galaxies differ: secular bars arise in relatively compact discs, while tidal bars appear in extended discs whose properties resemble those of unbarred galaxies. Tidal perturbations can therefore induce bars in galaxies otherwise stable to secular formation, highlighting the dual role of the internal galactic structure and the external environment in bar formation.

研究动机与目标

• 在使用 TNG50 的宇宙学背景下研究 MW 质量盘状星系中的棒形成机制。
• 确定盘自重力与外部潮汐扰动在棒形成中的作用。
• 开发并应用用于量化接近棒形成的潮汐场的新度量。
• 描述样本中棒事件的寿命与重复发生情况。

提出的方法

• 对面向观测的恒星表面密度进行傅里叶分解以识别棒，聚焦于 m=2 模式 (A2) 及棒的性质 (A2_max, R_bar, phi_2, Omega_bar)。
• 将 t_bar 定义为当 A2_max >= 0.2 且 R_bar >= 1.4 * epsilon_c 且至少有三次快照时出现棒相。
• 计算在 r_star,1/2 内的中心恒星对暗物质质量比 f_star(t_bar)，以在棒形成时将圆盘分为恒星主导或 DM 主导。
• 引入来自周围质量分布的潮汐张量 T，并将特征值的范数定义为标量 S，以量化潮汐强度（S_bar = 在 t_dyn 之前的一个时间段内取最大 S）。
• 分析 f_star(t_bar) 与 S_bar 的相关性，并比较自生棒与潮汐诱导棒的寿命与性质。

Figure 1: Evolution of the instantaneous bar fraction, $f_{\rm bar}$ , for the full galaxy sample (black). The brown, purple, and green lines show the fraction of galaxies currently in their first, second, or third bar episode, respectively. Coloured squares mark the time at which these lines reach

实验结果

研究问题

• RQ1 MW-质量盘中有多少比例的棒是自生的还是潮汐诱导的？
• RQ2 在棒形成时的中心恒星对暗物质质量比如何影响自生棒形成的可能性？
• RQ3 全局潮汐场度量是否能区分自生与潮汐诱导棒，且其与棒的寿命有何关系？
• RQ4 潮汐诱导的棒在可观测性质上是否与自生棒不同，以及环境如何塑造它们的演化？

主要发现

• 大约 25% 的有棒星系在形成棒时是 DM 主导，且此后仍然 DM 主导，提示这些棒的触发与潮汐作用有关。
• S_bar 与 f_star(t_bar) 存在负相关：越是 DM 主导的圆盘，触发棒形成需要越强的潮汐。
• 自生棒在相对紧凑、恒星主导的圆盘中形成，且往往寿命较长；潮汐诱导棒在扩展盘中形成且更易呈现瞬时性。
• 棒可以在恒星主导和 DM 主导的圆盘中形成，但主导形成通道取决于圆盘中心质量支配与潮汐环境。
• 棒的寿命与圆盘属性相关：恒星主导圆盘的棒寿命较长（中位数约 9 Gyr），而 DM 主导圆盘的棒寿命较短（中位数约 2 Gyr）。
• 潮汐扰动可以在本来对自生过程稳定的星系中诱导棒，突出内部结构与外部环境的双重作用。

Figure 2: The left panel shows the distribution of the central stellar-to-DM mass ratio measured at the time of bar formation, $f_{\star}(t_{\rm bar})$ , for all galaxies in our sample that form only one bar episode. A vertical grey dashed line indicates where $f_{\star}(t_{\rm bar})=1$ and $=2$ , f