[论文解读] A First Look at Galaxy Flyby Interactions. II. Do Flybys matter?

Manodeep Sinha, Kelly Holley‐Bockelmann|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 5

一句话总结

本研究利用宇宙学模拟表明，飞掠相互作用——即独立星系晕之间的快速非并合相遇——比以往认为的更为常见，尤其是在低红移时。作者发现，尽管单个飞掠对大质量主晕仅造成微弱扰动，但其高频次导致持续累积效应，显著影响星系演化，特别是对 z ≤ 4 时质量 >10¹⁰ h⁻¹ M⊙ 的晕而言。

ABSTRACT

In the second paper of this series, we present results from cosmological simulations on the demographics of flyby interactions to gauge their potential impact on galaxy evolution. In a previous paper, we demonstrated that flybys -- an interaction where two independent halos inter-penetrate but detach at a later time and do not merge -- occur much more frequently than previously believed. In particular, we found that the frequency of flybys increases at low redshift and is comparable to or even greater than the frequency of mergers for halos $\gtrsim 10^{11} M_\odot/h$. In this paper, we classify flybys according to their orbits and the level of perturbation exacted on both the halos involved. We find that the majority of flybys penetrate deeper than $\sim R_{half}$ of the primary and have an initial relative speed $\sim 1.6 imes V_{vir}$ of the primary. The typical flyby mass-ratio is $\sim 0.1$ at high $z$ for all halos, while at low $z$, massive primary halos undergo flybys with small secondary halos. We estimate the perturbation from the flyby on both the primary and the secondary and find that a typical flyby is mostly non-perturbative for the primary halo. However, since a massive primary experiences so many flybys at any given time, they are nearly continually a victim of a perturbative event. In particular, we find flybys that cause $\sim 1\%$ change in the binding energy of a primary halo occurs $\gtrsim 1 $ Gyr$^{-1}$ for halos $> 10^{10} M_\odot/h$ for $z \lesssim 4$. Secondary halos, on the other hand, are highly perturbed by the typical encounter, experiencing a change in binding energy of nearly order unity. Our results imply that flybys can drive a significant part of galaxy transformation at moderate to lower redshifts ($z \lesssim 4$). We touch on implications for observational surveys, mass-to-light ratios, and galaxy assembly bias.

研究动机与目标

• 量化宇宙学模拟中星系飞掠的频率与群体属性，挑战‘并合主导晕相互作用’的假设。
• 评估此前被忽视的飞掠是否能显著扰动星系晕，从而影响星系演化。
• 根据轨道参数与扰动强度对飞掠进行分类，区分主晕与次晕的响应。
• 评估飞掠对晕结合能的累积影响，尤其针对大质量星系。
• 探讨观测意义，包括质量-光度比与星系组装偏移。

提出的方法

• 作者开发了晕相互作用网络，以追踪宇宙学模拟中暗物质晕的动力学历史，从而识别并合与飞掠事件。
• 飞掠被定义为两晕相互穿透但未并合的相互作用，其分离距离与速度随时间被追踪。
• 扰动强度通过 VW00 (2000) 的经验拟合公式量化，估算主晕与次晕结合能的变化（ΔE/E）。
• 应用冲力近似法，对扩展扰动体引入距离相关因子 f(b)，并通过经验修正考虑共振效应。
• 通过结合 VW00 的内部与外部拟合公式，利用基于撞击参数与半质心半径比值的平滑过渡函数，构建主晕 ΔE/E 的连续拟合。
• 在红移 z ≤ 4 与晕质量 >10¹⁰ h⁻¹ M⊙ 范围内，对飞掠频率与扰动水平进行统计分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学模拟中，飞掠相互作用相对于并合的频率如何，特别是在低红移时？
• RQ2 涉及大质量晕的飞掠典型轨道参数（如穿透深度、相对速度）为何？
• RQ3 飞掠对主晕与次晕结合能的扰动程度如何？其与质量比和撞击参数的关系为何？
• RQ4 在长时间尺度上，导致主晕结合能显著扰动（如 ΔE/E ≥ 1%）的飞掠累积频率如何？
• RQ5 飞掠能否在无需并合的情况下解释观测到的星系演化，如 S0 星系的形态变化或 HI 缺乏现象？

主要发现

• 在红移 z < 2 时，对于质量 ≥10¹¹ h⁻¹ M⊙ 的晕，飞掠的频率高于并合，挑战了‘并合主导’的假设。
• 大多数飞掠的穿透深度超过主晕的 ∼R_half，初始相对速度约为主晕的 1.6×V_vir。
• 典型飞掠对主晕仅造成微弱扰动（ΔE/E ∼ 10⁻⁴），但由于频率极高，z ≤ 4 时大质量晕每 Gyr 至少经历一次高度扰动的飞掠。
• 次晕在飞掠中受到强烈扰动，结合能变化量级为 1，表明其结构与运动学发生显著破坏。
• 在 z ≤ 4 时，对质量 >10¹⁰ h⁻¹ M⊙ 的晕，导致主晕结合能变化 ≥1% 的飞掠发生率 ≥1 Gyr⁻¹，表明存在持续的累积效应。
• 结果表明，飞掠在中低红移（z ≤ 4）星系演化中扮演重要角色，尤其在驱动形态演化与预处理过程方面。