[论文解读] Forming disc galaxies in major mergers II. The central mass concentration problem and a comparison of GADGET3 with GIZMO

S. A. Rodionov, E. Athanassoula+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2017

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文通过引入一种简单、参数化的类AGN反馈机制，加热致密的中心气体粒子，成功解决了原星系大并合模拟中的非物理中心质量集中（CMC）问题，实现了更真实的棒状结构形成并稳定了旋转速度剖面。此外，研究还表明GADGET3与GIZMO的PSPH变体结果几乎完全一致，而MFM则表现出更大差异，验证了在星系并合研究中代码间的一致性。

ABSTRACT

Context: In a series of papers, we study the major merger of two disk galaxies in order to establish whether or not such a merger can produce a disc galaxy. Aims: Our aim here is to describe in detail the technical aspects of our numerical experiments. Methods: We discuss the initial conditions of our major merger, which consist of two protogalaxies on a collision orbit. We show that such merger simulations can produce a non-realistic central mass concentration, and we propose simple, parametric, AGN-like feedback as a solution to this problem. Our AGN-like feedback algorithm is very simple: at each time-step we take all particles whose local volume density is above a given threshold value and increase their temperature to a preset value. We also compare the GADGET3 and GIZMO codes, by applying both of them to the same initial conditions. Results: We show that the evolution of isolated protogalaxies resembles the evolution of disk galaxies, thus arguing that our protogalaxies are well suited for our merger simulations. We demonstrate that the problem with the unphysical central mass concentration in our merger simulations is further aggravated when we increase the resolution. We show that our AGN-like feedback removes this non-physical central mass concentration, and thus allows the formation of realistic bars. Note that our AGN-like feedback mainly affects the central region of a model, without significantly modifying the rest of the galaxy. We demonstrate that, in the context of our kind of simulation, GADGET3 gives results which are very similar to those obtained with the PSPH (density independent SPH) flavor of GIZMO. Moreover, in the examples we tried, the differences between the results of the two flavors of GIZMO, namely PSPH, and MFM (mesh-less algorithm) are similar to and, in some comparisons, larger than the differences between the results of GADGET3 and PSPH.

研究动机与目标

• 解决原星系大并合模拟中形成的非物理中心质量集中（CMC）问题，该问题会阻碍真实棒状结构的形成。
• 检验一种简单、参数化的类AGN反馈是否能有效抑制CMC并恢复真实的动力学速度剖面。
• 比较GADGET3与不同版本的GIZMO代码（PSPH与MFM）在模拟原星系大并合时的表现。
• 验证孤立原星系是否能演化为真实盘状系统，从而为其作为并合实验初始条件提供合理性依据。

提出的方法

• 初始条件由两个由暗物质和气态晕组成的球对称、平衡的原星系构成，并通过引入角动量来模拟真实盘星系的形成。
• 类AGN反馈算法在每个时间步内，将局部体积密度超过阈值ρ_AGN的气体粒子加热至固定温度T_AGN。
• 反馈仅作用于中心区域，最大限度减少对外部盘结构的扰动，同时解决CMC问题。
• 模拟使用GADGET3及GIZMO的三种变体进行：传统SPH（TSPH）、密度无关SPH（PSPH）和无网格MFM。
• 通过监测旋转速度剖面与棒状结构形成情况，评估并合残骸的真实性。
• 反馈中可选性地引入爱丁顿极限，但结果表明其对实现真实密度与速度剖面并非必要。

实验结果

研究问题

• RQ1 一种简单、参数化的类AGN反馈算法是否能有效解决原星系大并合模拟中的非物理中心质量集中问题？
• RQ2 引入类AGN反馈是否能促使并合残骸中形成真实棒状结构，而这类结构在真实盘星系中普遍存在？
• RQ3 在相同初始条件下，GADGET3与GIZMO不同流体求解器（PSPH与MFM）的模拟结果有何异同？
• RQ4 提高模拟空间分辨率是否会加剧中心质量集中问题，而反馈能否缓解此效应？
• RQ5 在反馈算法中是否必须引入爱丁顿极限，才能获得物理上真实的密度与速度剖面？

主要发现

• 在无类AGN反馈的情况下，所有模拟均形成强烈且非物理的中心质量集中（CMC），导致旋转速度剖面异常尖锐。
• CMC会抑制棒状结构的形成，这与观测结果不符，因为约60%的盘星系含有棒状结构。
• 类AGN反馈成功消除了CMC，恢复了真实的旋转速度剖面，并实现了稳定、真实的棒状结构形成。
• 反馈主要影响中心区域，未显著改变外部盘结构或整体形态。
• GADGET3与GIZMO的PSPH变体在所有模拟中结果几乎完全一致，表明该类问题下代码间具有极强的一致性。
• MFM与PSPH之间的差异与GADGET3与PSPH之间的差异相当或更大，提示MFM在此情境下可能引入了独特的物理效应。