[论文解读] Star forming filaments in warm dark models

Liang Gao, Tom Theuns+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究利用流体动力学宇宙学模拟表明，在温暗物质（WDM）模型中，红移 z ∼ 2 以上会形成致密且绵延的丝状结构，使气体冷却至冷却函数的最低点，从而产生扩展的莱曼限系统（LLS）。丝状结构中的恒星形成在 z ∼ 6 之前占主导地位，贡献了最终恒星质量的 15%，其观测特征可能用于区分 WDM 与冷暗物质。

ABSTRACT

We performed a hydrodynamical cosmological simulation of the formation of a Milky Way-like galaxy in a warm dark matter (WDM) cosmology. Smooth and dense filaments, several co-moving mega parsec long, form generically above z ∼ 2 in this model. Atomic line cool-ing allows gas in the centres of these filaments to cool to the base of the cooling function, resulting in a very striking pattern of extended Lyman-limit systems (LLSs). Observations of the correlation function of LLSs might hence provide useful limits on the nature of the dark matter. We argue that the self-shielding of filaments may lead to a thermal instability result-ing in star formation. We implement a sub-grid model for this, and find that filaments rather than haloes dominate star formation until z ∼ 6. Reionisation decreases the gas density in filaments, and the more usual star formation in haloes dominates below z ∼ 6, although star formation in filaments continues until z = 2. Fifteen per cent of the stars of the z = 0 galaxy formed in filaments. At higher redshift, these stars give galaxies a stringy appearance, which, if observed, might be a strong indication that the dark matter is warm. Key words: Galaxies: formation, intergalactic medium; cosmology: dark matter

研究动机与目标

• 研究温暗物质（WDM）宇宙学中大尺度丝状结构的形成与演化。
• 考察丝状结构中原子谱线冷却与自遮蔽如何导致气体冷却并可能引发恒星形成。
• 评估丝状结构与星系晕在宇宙时空中对恒星形成的贡献。
• 评估丝状恒星形成模式是否可作为温暗物质的观测指标。
• 模拟再电离期间从丝状主导到晕主导恒星形成的转变过程。

提出的方法

• 在 WDM 宇宙学背景下，对一个银河系类星系执行高分辨率流体动力学宇宙学模拟。
• 在致密丝状结构中建模原子谱线冷却，使气体冷却至冷却函数的最低点。
• 在丝状结构中引入基于网格的热不稳定性模型，由自遮蔽触发，以启动恒星形成。
• 追踪从 z ∼ 10 到 z = 0 期间丝状结构与星系晕中恒星形成率的演化。
• 分析再电离对丝状结构气体密度与恒星形成效率的影响。
• 量化在丝状结构中形成的恒星质量比例，并与基于星系晕的形成进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 z > 2 的温暗物质宇宙学中，致密且绵延的丝状结构是否普遍存在？
• RQ2 丝状结构中的自遮蔽是否能引发热不稳定性并导致后续恒星形成？
• RQ3 在宇宙时空中，银河系类星系的恒星质量有多少比例形成于丝状结构，又有多少比例形成于星系晕中？
• RQ4 再电离如何影响丝状结构中气体密度与恒星形成效率？
• RQ5 丝状结构中莱曼限系统（LLS）的相关函数能否为暗物质性质提供观测约束？

主要发现

• 在 WDM 模型中，红移 z ∼ 2 以上普遍存在长度达数个共动兆秒差距的平滑致密丝状结构。
• 原子谱线冷却使丝状结构中心的气体冷却至冷却函数的最低点，形成扩展的莱曼限系统（LLS）。
• 丝状恒星形成在 z ∼ 6 之前占主导地位，贡献了最终恒星质量的 15%。
• 再电离降低了丝状结构中的气体密度，使恒星形成主导权在 z ∼ 6 以下转移至星系晕。
• 丝状结构中的恒星形成可延续至 z = 2，使早期星系呈现出细长丝状外观。
• LLS 的观测相关函数可能为暗物质性质提供约束，尤其可用于区分 WDM 与冷暗物质。