[论文解读] Cold Mode Accretion in Galaxy Formation

Andrew Benson, R. G. Bower|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 3

一句话总结

该论文采用Birnboim & Dekel (2003)提出的激波稳定性判据，在Galform半解析模型中实现了冷模式吸积，发现尽管冷模式吸积在高红移时显著增加了气体向星系的流入，但当引入反馈（尤其是超新星驱动的外流）后，其对低红移时恒星形成率和星系性质的影响微乎其微。关键结论是，反馈在塑造星系演化方面占据主导地位，使得冷模式物理过程在标准模型中的重要性低于以往认为的程度。

ABSTRACT

A generic expectation for gas accreted by high mass haloes is that it is shock heated to the virial temperature of the halo. In low mass haloes, or at high redshift, however, the gas cooling rate is sufficiently rapid that an accretion shock is unlikely to form. Instead, gas can accrete directly into the centre of the halo in a `cold mode' of accretion. Although semi-analytic models have always made a clear distinction between hydrostatic and rapid cooling they have not made a distinction between whether or not an accretion shock forms. Starting from the well-established Galform code, we investigate the effect of explicitly accounting for cold mode accretion using the shock stability model of Birnboim & Dekel. When we modify the code so that there is no effective feedback from galaxy formation, we find that cold mode accretion is the dominant channel for feeding gas into the galaxies at high redshifts. However, this does not translate into a significant difference in the star formation history of the universe compared to the previous code. When effective feedback is included in the model, we find that the the cold mode is much less apparent because of the presence of gas ejected from the galaxy. Thus the inclusion of the additional cold mode physics makes little difference to basic results from earlier semi-analytic models which used a simpler treatment of gas accretion. For more sophisticated predictions of its consequences, we require a better understanding of how the cold mode delivers angular momentum to galaxies and how it interacts with outflows.

研究动机与目标

• 评估无激波加热的冷模式吸积对半解析模型中星系形成的影响。
• 调查早期模型中缺乏显式冷模式处理是否会影响对恒星形成率和星族质量分数等星系性质的预测。
• 评估超新星驱动外流和角动量输运如何影响冷模式吸积将气体输送到星系的有效性。
• 确定冷模式吸积是否导致星系形成结果的定性变化，特别是在高红移时。
• 检验在模型中引入冷模式物理过程是否需要重新调整参数以匹配观测数据。

提出的方法

• 通过采用Birnboim & Dekel (2003)提出的激波稳定性判据，对Galform半解析模型进行修改，以实现冷模式吸积，该判据基于激波后气体的冷却时间判断是否形成驻波。
• 根据晕质量与红移，区分热模式吸积（激波加热）与冷模式吸积（未激波加热），其中冷模式在低质量晕或高红移时占主导。
• 该实现追踪通过冷流进入星系的气体，假设其在晕中心附近因阻力或内部激波而损失能量，从而能够抵达盘面。
• 模型中包含超新星驱动外流与活动星系核反馈，以评估其与冷模式吸积的相互作用，特别是对气体含量与恒星形成率的调控作用。
• 计算星系盘的动态时间，以评估冷模式气体带来的角动量对盘面稳定性与恒星形成效率的影响。
• 通过对比包含与不包含冷模式吸积的模型（无论是否包含反馈），分离吸积模式对不同红移下星系性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在半解析模型中显式包含冷模式吸积是否显著改变宇宙恒星形成历史的预测？
• RQ2 超新星驱动外流的存在如何影响星系中冷模式吸积气体的保留与作用？
• RQ3 冷模式吸积在多大程度上影响星系盘的角动量含量与动力学时间？
• RQ4 冷模式吸积如何影响恒星与星际介质中总重子质量，特别是在高红移时？
• RQ5 与无冷模式吸积的模型相比，冷模式吸积是否导致星系光度函数或尺寸的定性变化？

主要发现

• 当反馈不存在时，冷模式吸积是高红移（z ≳ 6）星系气体供给的主要通道，显著提高了气体流入速率。
• 尽管气体流入速率更高，但由于冷模式气体带来更高的角动量导致盘面动力学时间更长，因此在z ≳ 3时恒星形成率基本不受冷模式吸积影响。
• 在包含超新星驱动外流的模型中，到z = 0时冷模式与热模式模型之间的总重子质量（恒星 + 星际介质气体）差异极小，表明反馈主导于吸积模式。
• 在无外流时，冷模式吸积使大质量晕中盘面动力学时间增加三倍或以上，但当外流被引入后，该效应被显著减弱。
• 冷模式吸积的引入并未在z = 0时定性改变星系光度函数或尺寸的预测，表明早期半解析模型仍具有效性。
• 冷模式吸积的有效性对反馈极为敏感；外流对冷模式气体保留的抑制作用甚至超过吸积模式的切换，这意味着必须准确建模反馈才能获得可靠的冷模式预测。