[论文解读] Dark galaxies, spin bias and gravitational lenses

Raúl Jiménez, Alan Heavens+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 1997

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本文提出，暗星系——即低表面亮度、高自旋的暗物质晕——由于对碎裂的稳定性而形成时恒星形成极少，导致其在变得不可探测前经历短暂的暗淡蓝色阶段。该研究预测这类星系可能解释高红移蓝星系群体，并引入了‘自旋偏置’概念——明亮星系倾向于在大质量、聚集的晕中形成，同时预测其星系光度函数的暗端斜率比晕质量函数更平缓。

ABSTRACT

Gravitational lensing studies suggest that the Universe may contain a population of dark galaxies; we investigate this intriguing possibility and propose a mechanism to explain their nature. In this mechanism a dark galaxy is formed with a low density disk in a dark halo of high spin parameter; such galaxies can have surface densities below the critical Toomre value for instabilities to develop, and following Kennicutt's work we expect these galaxies to have low star formation rates. The only stellar component of the galaxies is a halo system, formed during the collapse of the proto-galactic cloud. We compute synthetic stellar population models and show that, at a redshift $z=0.5$, such galaxies have apparent magnitudes $B \simeq 28, R \simeq 26$ and $I \simeq 25$, and could be unveiled by deep searches with the Hubble Space Telescope. Dark galaxies have an initial short blue phase and then become essentially invisible, therefore they may account for the blue population of galaxies at high redshift. We find a strong mass-dependence in the fraction of dark galaxies, and predict that spiral galaxies will not be found in halos with masses less than about $10^9 M_\odot$, if $Ω=1$. Above about $10^{12}M_\odot$, all halos can produce luminous disks. The mass-dependence of the galaxy-formation efficiency introduces the possibility of `spin bias' -- luminous galaxies being associated preferentially with strongly-clustered high-mass halos. A further prediction is that the slope of the faint-end luminosity function for galaxies will be flatter than the associated halo mass function.

研究动机与目标

• 通过引力透镜研究推断暗星系的存在与可探测性。
• 解释外观为蓝色但其他方面不可探测的低光度、高红移星系的起源。
• 探讨晕自旋与质量如何影响星系形成效率与光度。
• 建立恒星成分极少的暗星系形成模型，并评估其观测特征。
• 考察晕自旋对星系聚集与光度函数的影响。

提出的方法

• 在自旋参数高的暗物质晕中建模星系形成，以抑制盘面不稳定性。
• 应用Toomre稳定性准则，确定何时盘面碎裂与恒星形成被抑制。
• 使用Kennicutt恒星形成律估算低表面亮度盘中的低恒星形成率。
• 构建合成恒星族模型，预测暗星系在z=0.5时的视星等。
• 分析星系形成效率与晕质量的关系，推导自旋偏置效应。
• 比较星系光度函数的暗端斜率与晕质量函数，以检验预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 高自旋、低表面亮度的暗晕是否能容纳稳定、低恒星形成率的星系，使其保持暗淡且不可探测？
• RQ2 此类暗星系在z=0.5时的预期测光星等是多少？它们是否可通过哈勃望远镜探测到？
• RQ3 晕质量如何影响形成明亮星系的可能性？在何种质量阈值以下，螺旋星系将无法形成？
• RQ4 星系形成对晕自旋的依赖是否导致明亮星系优先与大质量、聚集的晕相关联？
• RQ5 由于自旋依赖的形成效率，星系光度函数的暗端斜率是否会与晕质量函数不同？

主要发现

• 在z=0.5时，暗星系的预测星等为B ≈ 28，R ≈ 26，I ≈ 25，因此可能通过深度哈勃观测探测到。
• 这些星系在变暗至不可见前会经历短暂的蓝色阶段，可能解释高红移蓝色星系群体。
• 若Ω=1，质量低于~10^9 M⊙的晕中，螺旋星系不会形成，原因在于低表面亮度盘的不稳定性被抑制。
• 在质量高于~10^12 M⊙时，所有晕均可形成明亮盘，表明存在有效星系形成的质量阈值。
• 该模型预测星系光度函数的暗端斜率比晕质量函数更平缓，原因在于自旋依赖的形成效率。
• 强烈的质量依赖性星系形成效率引入了‘自旋偏置’，使明亮星系更倾向于出现在大质量、聚集的晕中。