[论文解读] Bar formation and destruction in the FIRE-2 simulations

Sioree Ansar, Sarah Pearson+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

本研究基于FIRE-2宇宙学聚焦模拟，调查了13个银河系质量星系中的棒状结构形成与破坏机制，发现棒状结构主要由内盘不稳定性或潮汐相互作用引发，其中内盘的运动学冷度是关键因素。棒状结构通常寿命短暂、强度微弱（A₂/A₀ ≈ 0.1–0.2），受卫星相互作用及恒星与暗物质质量比的影响，但任一条件单独均不足以引发棒状结构形成。

ABSTRACT

The physical mechanisms responsible for bar formation and destruction in galaxies remain a subject of debate. While we have gained valuable insight into how bars form and evolve from isolated idealized simulations, in the cosmological domain, galactic bars evolve in complex environments with mergers, gas accretion events, in presence of turbulent Inter Stellar Medium (ISM) with multiple star formation episodes, in addition to coupling to their host galaxies' dark matter halos. We investigate bar formation in 13 Milky Way-mass galaxies from the FIRE-2 (Feedback in Realistic Environments) cosmological zoom-in simulations. 8 of the 13 simulated galaxies form bars at some point during their history: three from tidal interactions and five from internal evolution of the disk. The bars in FIRE-2 are generally shorter than the corotation radius (mean bar radius $\sim 1.53$ kpc), have a wide range of pattern speeds (36--97 km s$^{-1}$kpc$^{-1}$), and live for a wide range of dynamical times (2--160 bar rotations). We find that bar formation in FIRE-2 galaxies is influenced by satellite interactions and the stellar-to-dark matter mass ratio in the inner galaxy, but neither is a sufficient condition for bar formation. Bar formation is more likely to occur, and the bars formed are stronger and longer-lived, if the disks are kinematically cold; galaxies with high central gas fractions and/or vigorous star formation, on the other hand, tend to form weaker bars. In the case of the FIRE-2 galaxies these properties combine to produce ellipsoidal bars with strengths $A_2/A_0 \sim$ 0.1--0.2.

研究动机与目标

• 理解宇宙学上真实的星系模拟中棒状结构形成与破坏的物理机制。
• 确定内盘演化、卫星相互作用及宿主晕耦合在棒状结构动力学中的相对作用。
• 评估气体分数、恒星形成及盘面运动学对棒状结构强度与寿命的影响。
• 量化13个FIRE-2银河系质量星系样本中棒状结构的特性，如图案速度、半径与寿命。
• 评估在宇宙学背景下，潮汐相互作用或内禀演化是否为棒状结构形成的主导驱动力。

提出的方法

• 利用FIRE-2项目提供的13个高分辨率宇宙学聚焦模拟，聚焦于银河系质量星系。
• 通过傅里叶分解计算棒状结构强度（A₂/A₀），对恒星密度与速度场进行时间序列分析，追踪棒状结构演化。
• 使用潮汐指数Γ量化卫星引起的潮汐力，Γ ≳ -2.45 表示显著的潮汐影响。
• 通过垂直速度弥散度ε > 0.7的恒星比例（f_disk(r) = M_*,ε>0.7 / M_*）评估盘面运动学冷度。
• 将棒状结构形成时间与卫星相互作用时间及晕属性相关联，评估因果关系。
• 利用动力时标与旋转周期分析图案速度与棒状结构寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学模拟中，哪些盘面与晕的物理条件最有利于棒状结构形成？
• RQ2 在FIRE-2模拟中，卫星相互作用在多大程度上触发了银河系质量星系的棒状结构形成？
• RQ3 恒星盘的运动学冷度在多大程度上影响棒状结构的强度与寿命？
• RQ4 中心气体分数与恒星形成在抑制或削弱棒状结构形成中起什么作用？
• RQ5 棒状结构特性（图案速度、半径、寿命）与宿主星系结构与动力学参数之间有何相关性？

主要发现

• 13个FIRE-2星系中有8个在某一时刻形成了棒状结构，其中5个由内盘不稳定性形成，3个由潮汐相互作用形成。
• 棒状结构通常寿命短暂，持续2至160个旋转周期，平均棒半径约为1.53 kpc。
• 棒状结构强度微弱，A₂/A₀值在0.1至0.2之间，与椭球形棒一致。
• 内盘（r < 5 kpc）的运动学冷度是棒状结构形成的强预测因子，冷度越高的盘面越易形成强度更高、寿命更长的棒状结构。
• 较高的中心气体分数与剧烈的恒星形成会抑制棒状结构形成，导致棒状结构更弱或完全无法形成。
• 卫星相互作用的Γ ≳ -2.45且发生时间在棒状结构形成前约10个动力时标内，是棒状结构激发的必要条件，但非充分条件。