[论文解读] Formation of Galactic Disks II: the Physical Drivers of Disk Spin-up

Vadim A. Semenov, Charlie Conroy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用TNG50宇宙学模拟发现，银河系类星系的星系盘形成是由共转喷流再循环、星系核球形成引起的引力势能陡化以及热星系晕发展的协同作用所驱动。关键发现为，当宿主暗物质晕质量超过$\sim(1\text{--}2)\times 10^{11}{\rm\;M_{\odot}}$时，星盘开始形成，亚声速和跨声速吸积流会稳定进入星盘，而超声速冷吸积则会扰动星盘，表明星盘自转加速与稳定化是由多过程机制共同作用的结果。

ABSTRACT

Using a representative sample of Milky Way (MW)-like galaxies from the TNG50 cosmological simulation, we investigate physical processes driving the formation of galactic disks. A disk forms as a result of the interplay between inflow and outflow carrying angular momentum in and out of the galaxy. Interestingly, the inflow and outflow have remarkably similar distributions of angular momentum, suggesting an exchange of angular momentum and/or outflow recycling, leading to continuous feeding of prealigned material from the corotating circumgalactic medium. We show that the disk formation in TNG50 is correlated with stellar bulge formation, in qualitative agreement with a recent theoretical model of disk formation facilitated by steep gravitational potentials. Disk formation is also correlated with the formation of a hot circumgalactic halo with around half of the inflow occurring at subsonic and transonic velocities corresponding to Mach numbers of $\lesssim2$. In the context of recent theoretical works connecting disk settling and hot halo formation, our results imply that the subsonic part of the inflow may settle into a disk while the remaining supersonic inflow will perturb this disk via the chaotic cold accretion. We find that disks tend to form when the host halos become more massive than $\sim (1-2) imes 10^{11} M_\odot$, consistent with previous theoretical findings and observational estimates of the predisk protogalaxy remnant in the MW. Our results do not prove that either corotating outflow recycling, gravitational potential steepening, or hot halo formation cause disk formation, but they show that all these processes occur concurrently and may play an important role in disk growth.

研究动机与目标

• 利用高分辨率宇宙学模拟，识别银河系类星系中星盘自转加速与形成背后的物理驱动力。
• 研究吸积流与喷流在角动量交换中对星系盘结构的影响。
• 确定热星系晕形成、核球增长或喷流再循环是否与星盘形成存在因果关联，还是仅是同时发生的并发过程。
• 评估星盘形成的时间点与晕质量及引力势能演化之间的关联性。

提出的方法

• 基于TNG50宇宙体积模拟中代表性银河系类星系样本的分析，采用完整的流体动力学与恒星形成反馈模型。
• 追踪吸积流与喷流中的角动量演化，评估星系晕介质与星盘之间共转物质的对齐程度与再循环效率。
• 通过星系中心区域的圆周速度径向分布与恒星质量集中度，测量引力势能的陡化程度。
• 利用局部马赫数与吸积气体的温度分布，量化吸积模式（亚声速、跨声速、超声速）。
• 将星盘形成时期与晕质量增长、核球形成及热星系晕发展进行相关性分析，以识别并发的物理过程。
• 在100多颗星系中进行统计分析，识别星盘形成的质量阈值与时间相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系类星系中星盘的自转加速与形成由哪些物理过程主导？
• RQ2 在星盘形成过程中，吸积流与喷流如何相互作用角动量？共转物质的再循环程度如何？
• RQ3 热星系晕的形成或引力势能的陡化是否与星盘形成存在因果关联？
• RQ4 在TNG50模拟的星系中，星盘形成主要发生在何种晕质量阈值？
• RQ5 亚声速与跨声速吸积流在多大程度上能稳定进入星盘，而超声速吸积流又在多大程度上会破坏星盘？

主要发现

• TNG50中星系盘的形成发生在宿主晕的virial质量达到$\sim(1\text{--}2)\times 10^{11}{\rm\;M_{\odot}}$时，与银河系前身原星系的观测估计值一致。
• 吸积流与喷流表现出极为相似的角动量分布，表明星系晕介质中的气体存在显著的共转再循环，进入星盘。
• 星盘形成与中心集中恒星核球的形成强烈相关，核球使引力势能陡化，从而稳定星盘。
• 热星系晕与星盘形成同步发生，近一半的吸积气体以亚声速或跨声速进入，使其能够稳定进入星盘。
• 尽管晕处于高温状态，超过一半的吸积气体体积以超声速冷模式进入，可能通过混沌的角动量输运破坏星盘。
• 星盘形成后，吸积物质与星盘的对齐程度迅速提升，显著对齐发生在$\sim3\text{--}5$倍星系半径处。