[论文解读] Dark and luminous matter connections. Towards understanding galaxy evolution

P. Mazzei|ArXiv.org|Jan 23, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用 8

一句话总结

本文利用带有化学光度群体合成的光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，研究孤立三轴暗物质晕中的星系形成，发现只有在总质量 ≤10¹² M⊙ 且重子物质与总质量之比 ≈0.1 的系统中才会形成螺旋星系。明亮星系形成的临界质量约为 10¹¹ M⊙，且旋转支持与恒星形成强烈依赖于晕的质量、几何形态及动力学状态。

ABSTRACT

In this review we outline the major points of ab-initio cosmological models focusing on some galaxy evolution unresolved problems. In particular our knowledge of the star formation rate which leads galaxy evolution, i.e. luminosity, colors and dust enrichment, is still very poor. Smoothed particle hydrodynamic simulations including chemo-photometric evolutionary population synthesis models of isolated collapsing systems endowed with triaxial dark matter halos, gas and the star formation switched on, are a useful tool to shed light on several open questions. This approach, which allows a greater particle resolution than a fully consistent cosmological scenario, gives us important insights into connections between dark and luminous matter. Both the initial properties of the halo, as so as its geometry and dynamical state, and total mass of the system, drive the galaxy formation and evolution. In our simple framework spiral galaxies arise only in systems with both a total mass less than 1.e12 solar masses and a critical value of the baryonic-to-total-mass ratio, around its cosmological value, 0.1. For the same value of such a ratio more massive systems host more luminous and redder galaxies, as a consequence of the stronger burst of star formation arising into their halos earlier on. Moreover the star formation does not switch on in the less massive DM halos so that the critical mass to entail a luminous system is 1.e11 solar masses. For a given total mass, higher values of the baryonic-to-total-mass ratio provide galaxies with lower rotational support so that no constraints to the total mass of the system hosting an elliptical galaxy have been derived.

研究动机与目标

• 研究孤立系统中暗物质晕特性与明亮星系形成之间的关联。
• 确定在整体坍缩情景下，螺旋星系与椭圆星系形成的条件。
• 评估重子物质与总质量之比、晕质量及初始三轴性在塑造星系演化中的作用。
• 探讨恒星形成率与旋转支持如何依赖于晕的动力学状态与几何形态。
• 通过高分辨率SPH模拟，为星系演化中的未解问题（如角动量危机与过冷凝问题）提供新见解。

提出的方法

• 对孤立坍缩的三轴暗物质晕（含气体且激活恒星形成）进行光滑粒子流体动力学（SPH）模拟。
• 整合化学光度演化群体合成模型，计算从紫外到近红外K波段的光谱能量分布（SED）。
• 改变关键参数：总晕质量（M_tot）、重子物质与总质量之比（M_bar/M_tot）、初始三轴性、自旋参数（λ）及恒星形成 timescale（τ）。
• 追踪恒星形成率（SFR）、旋转能与总动能之比（旋转支持）、以及综合星系属性（颜色、光度、金属丰度）的时间演化。
• 采用高粒子分辨率以克服宇宙学模拟的局限，聚焦于孤立系统以隔离晕与重子物质的影响。
• 将模拟星系属性（颜色、金属丰度、TF关系）与观测数据对比，以验证模型预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 形成明亮星系所需的暗物质晕临界总质量是多少？
• RQ2 重子物质与总质量之比如何影响螺旋星系与椭圆星系的形成？
• RQ3 暗物质晕的初始几何形态与动力学状态在决定恒星形成活动与旋转支持方面起什么作用？
• RQ4 模拟星系的颜色、金属丰度与光度与本地星系的观测结果如何比较？
• RQ5 孤立的整体坍缩模拟能否再现真实星系的Tully-Fisher关系与质量-光度比？

主要发现

• 螺旋星系仅在总质量 ≤10¹² M⊙ 且重子物质与总质量之比 ≈0.1 的系统中形成，与宇宙学值一致。
• 明亮星系形成的临界晕质量约为 10¹¹ M⊙，低于此质量则无恒星形成。
• 质量更大的晕表现出更早且更强的恒星形成爆发，导致星系更红、更明亮且金属丰度更高。
• 更高的重子物质与总质量之比会降低重子系统的旋转支持，有利于椭圆星系形成。
• 长轴晕形态与高自旋参数会延迟恒星形成并降低旋转支持，促进矮星系或不规则星系的形成。
• 模拟的Tully-Fisher关系及星系颜色/金属丰度与本地星系在各类形态下的观测结果一致。