[论文解读] Disc heating: possible link between weak bars and superthin galaxies

Kanak Saha|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2014

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究利用无碰撞N体模拟表明，初始超薄星系盘中的弱棒可以在数十亿年内通过极慢的恒星加热过程维持其极端薄度，而强棒则会导致快速的垂直加热，使盘面变厚。关键发现是，弱棒是超薄星系在不损失其薄度的前提下所能维持的最大非轴对称结构，为超薄星系如何在宇宙学演化中存续提供了解决方案。

ABSTRACT

The extreme flatness of stellar discs in superthin galaxies is puzzling and the apparent dearth of these objects in cosmological simulation poses challenging problem to the standard cold dark matter paradigm. Irrespective of mergers or accretion that a galaxy might be going through, stars are heated as they get older while they interact with the spirals and bars which are ubiquitous in disc galaxies -- leading to a puffed up stellar disc. It remains unclear how superthin galaxies maintain their thinness through the cosmic evolution. We follow the internal evolution of a sample of 16 initially extremely thin stellar discs using collisionless N-body simulation. All of these discs eventually form a bar in their central region. Depending on the initial condition, some of these stellar discs readily form strong bars while others grow weak bars over secular evolution time scale. We show that galaxies with strong bars heat the stars very efficiently, eventually making their stellar discs thicker. On the other hand, stars are heated very slowly by weak bars -- as a result, galaxies hosting weak bars are able to maintain their thinness over several billion years, if left isolated. We suggest that some of the superthin galaxies might as well be forming weak bars and thereby prevent any strong vertical heating which in turn helps maintaining their thinness during the course of secular evolution.

研究动机与目标

• 研究超薄星系如何在内部加热机制存在的情况下，仍能维持其极端薄度长达宇宙时空中。
• 确定棒状结构——在旋涡星系中普遍存在——是否能解释孤立环境中超薄盘面的存续。
• 探讨弱棒是否能帮助超薄星系避免显著的垂直加热，相较于强棒而言。
• 评估暗物质晕结构在星系自洽演化过程中对稳定薄星盘的作用。
• 解决观测到的超薄星系与宇宙学模拟中其明显稀少之间的矛盾。

提出的方法

• 在孤立环境中，使用无碰撞N体动力学模拟了16个初始超薄星盘。
• 通过改变初始条件，使系统在自洽演化 timescale 内形成强棒与弱棒。
• 采用具有不同核心半径的自洽暗物质晕，以评估其对盘面稳定性和加热的影响。
• 追踪了50–60亿年间的盘面 scale height 和垂直密度分布的演化。
• 分析了棒的振幅及其与通过混沌扩散机制导致的垂直加热效率之间的关联。
• 将模拟结果与观测数据（如UGC 7321和IC2233）进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 孤立的超薄星系中的弱棒是否能在数十亿年内有效防止强烈的垂直加热？
• RQ2 为何超薄星系尽管存在内部自洽演化和棒状结构，仍能保持其薄度？
• RQ3 棒的强度与星盘垂直加热速率之间存在何种关系？
• RQ4 暗物质晕属性（如核心半径）是否显著影响薄星盘的存续？
• RQ5 弱棒的形成是否是维持晚型星系超薄形态的可行机制？

主要发现

• 具有强棒的星系能非常高效地加热恒星，导致星盘迅速变厚，因此不适合维持超薄形态。
• 弱棒加热恒星的速度极慢，在50–60亿年内仅使星盘 scale height 增加约2倍，从而保持了薄度。
• 棒的振幅与盘面厚度之间存在强烈相关性：棒越强，盘面越厚。
• 含有弱棒的盘面的垂直密度分布形状基本保持不变，仅随时间略微变胖。
• 即使在紧凑的暗物质晕（核心半径小）条件下，仍可形成厚盘，表明仅靠晕的核心半径无法决定盘面厚度。
• 模拟结果表明，弱棒可能是自洽超薄星系在不损失薄度的前提下所能维持的最大非轴对称结构。