[论文解读] Galactic evolutionary path from primeval irregulars to present-day ellipticals

Masao Mori, Masayuki Umemura|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用 2

一句话总结

本研究通过超高分辨率模拟，追踪了星系从原始不规则星系演化至现今椭圆星系的全过程，表明分层并合、辐射冷却和超新星反馈共同塑造了星系的演化。模拟重现了高红移莱曼α发射体（LAEs），演化为具有太阳金属丰度的莱曼断巨星系（LBGs），并在130亿年后形成椭圆星系。

ABSTRACT

The current understanding of galaxy formation is that it proceeds in a 'bottom up' way, with the formation of small clumps of gas and stars that merge hierarchically until giant galaxies are built up. The baryonic gas loses the thermal energy by radiative cooling and falls towards the centres of the new galaxies, while supernovae (SNe) blow gas out. Any realistic model therefore requires a proper treatment of these processes, but hitherto this has been far from satisfactory. Here we report an ultra-high-resolution simulation that follows evolution from the earliest stages of galaxy formation through the period of dynamical relaxation. The bubble structures of gas revealed in our simulation ($< 3\ imes10^8$ years) resemble closely the high-redshift Lyman $\\alpha$ emitters (LAEs). After $10^9$ years these bodies are dominated by stellar continuum radiation and look like the Lyman break galaxies (LBGs) known as the high-redshift star-forming galaxies at which point the abundance of elements heavier than helium ("metallicity") appears to be solar. After $1.3\ imes10^{10}$ years, these galaxies resemble present-day ellipticals.

研究动机与目标

• 模拟星系从早期原始团块到现今椭圆星系的完整演化序列。
• 通过引入辐射冷却和超新星反馈的现实处理方式，弥补先前模型的不足。
• 解释从高红移莱曼α发射体（LAEs）到莱曼断巨星系（LBGs）最终演化为大质量椭圆星系的观测过渡。
• 研究模拟星系中金属丰度在13亿年内如何演化至太阳水平。

提出的方法

• 开展超高分辨率宇宙学模拟，追踪星系形成从最早阶段到动力学松弛的全过程。
• 通过辐射过程建模重子气体冷却，使气体能够向星系中心下落。
• 模拟超新星反馈，将气体从星系中排出，调节恒星形成并改变星系形态。
• 追踪气体结构、恒星形成和金属丰度随时间的演化，以匹配观测到的高红移星系类型。
• 使用数值技术解析时间尺度低于3×10^8年的泡状气体结构。
• 将不同红移下模拟星系的性质与观测到的高红移莱曼α发射体（LAEs）和莱曼断巨星系（LBGs）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 原始气体团块如何通过分层并合与反馈过程演化为大质量、稳定星系？
• RQ2 辐射冷却与超新星反馈在多大程度上能重现高红移星系的形态与光谱演化？
• RQ3 模拟星系在何时从莱曼α发射体（LAE）特征过渡到莱曼断巨星系（LBG）特征？
• RQ4 模拟星系中金属丰度达到太阳水平的速度有多快，是否与观测一致？
• RQ5 该模拟能否重现从早期不规则星系到现今椭圆星系的结构与光谱演化？

主要发现

• 在小于3×10^8年的模拟时间内形成的泡状气体结构，与高红移莱曼α发射体（LAEs）高度相似。
• 在10^9年之后，模拟星系的辐射主导成分转变为恒星连续谱，与莱曼断巨星系（LBGs）的特征一致。
• 在1.3×10^10年时，星系演化为在形态和运动学上与现今椭圆星系相似的系统。
• 模拟星系在形成约13亿年内达到与太阳丰度一致的金属丰度水平。
• 该模拟通过真实的反馈与冷却物理机制，成功重现了从原始不规则星系到大质量椭圆星系的完整演化序列。
• 结果表明，分层并合结合辐射冷却与超新星反馈，可自然解释高红移星形成星系演化为宁静椭圆星系的观测现象。