[论文解读] Galactic outflows and the kinematics of damped Lyman alpha absorbers

Sungryong Hong, Neal Katz+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 9

一句话总结

本研究利用高分辨率宇宙学流体动力学模拟，并引入启发式星系外流模型，表明动量驱动风模型能够成功重现 z=3 时观测到的宽速度范围 DLA 的动力学特性，而此前的模型未能匹配这一特征。关键结果是，外流通过将气体从小型卫星星系中喷射出去，增强了大质量晕的截面，从而提高了宽 DLA 的比例。

ABSTRACT

The kinematics of damped Lyman alpha absorbers (DLAs) are difficult to reproduce in hierarchical galaxy formation models, particularly the preponderance of wide systems. We investigate DLA kinematics at z=3 using high-resolution cosmological hydrodynamical simulations that include a heuristic model for galactic outflows. Without outflows, our simulations fail to yield enough wide DLAs, as in previous studies. With outflows, predicted DLA kinematics are in much better agreement with observations. Comparing two outflow models, we find that a model based on momentum-driven wind scalings provides the best match to the observed DLA kinematic statistics of Prochaska & Wolfe. In this model, DLAs typically arise a few kpc away from galaxies that would be identified in emission. Narrow DLAs can arise from any halo and galaxy mass, but wide ones only arise in halos with mass >10^11 Mo, from either large central or small satellite galaxies. This implies that the success of this outflow model originates from being most efficient at pushing gas out from small satellite galaxies living in larger halos. This increases the cross-section for large halos relative to smaller ones, thereby yielding wider kinematics. Our simulations do not include radiative transfer effects or detailed metal tracking, and outflows are modeled heuristically, but they strongly suggest that galactic outflows are central to understanding DLA kinematics. An interesting consequence is that DLA kinematics may place constraints on the nature and efficiency of gas ejection from high-z galaxies.

研究动机与目标

• 解决层次星系形成模型长期无法重现观测到的吸收线深度为 2×10^20 cm⁻² 的宽速度范围 DLA（damped Lyman-alpha absorbers）的问题。
• 研究星系外流如何影响高红移宇宙学模拟中 DLA 的动力学特性。
• 确定外流模型是否能自然地产生观测到的 DLA 速度宽度统计分布，特别是其中显著的宽系统尾部。
• 评估晕质量以及星系类型（中心星系与卫星星系）在外流不同方案下的作用，以解释宽 DLA 的形成。

提出的方法

• 在 z=3 时开展高分辨率宇宙学流体动力学模拟，研究星系形成过程，并引入星系外流的启发式模型。
• 实施两种外流模型：一种基于能量驱动的标度关系，另一种基于动量驱动风的标度关系。
• 通过识别 H I 吸收系统（N_HI > 2×10^20 cm⁻²）并分析其相对于晕逃逸速度的宽度，测量 DLA 的动力学特性。
• 将模拟得到的 DLA 速度宽度分布与 Prochaska & Wolfe (1997) 的观测数据进行比较，特别关注观测中宽系统所呈现的尾部特征。
• 利用晕质量函数，并将 DLA 截面按 v_vir^3 进行标度，评估外流对动力学分布的影响。
• 分析 DLA 的空间与动力学起源，重点关注其相对于中心星系的偏移程度，以及其与晕质量及星系类型的关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标准的层次模型无法重现观测到的 DLA 动力学中宽速度范围的特征？
• RQ2 星系外流（尤其是动量驱动风）是否能够解决模拟与观测之间 DLA 速度分布的差异？
• RQ3 在存在外流的情况下，晕质量与星系类型（中心星系与卫星星系）在形成宽 DLA 中分别起什么作用？
• RQ4 外流如何改变晕对 DLA 吸收的有效截面，特别是在低质量系统中？
• RQ5 外流在多大程度上可以解释观测到的动力学统计特征，而无需对晕结构或质量函数进行人为调整？

主要发现

• 在无星系外流的情况下，模拟无法产生足够多的宽 DLA 系统，重现了长期存在的与观测结果的不一致。
• 动量驱动风模型产生的 DLA 动力学特性与 Prochaska & Wolfe (1997) 的观测速度宽度分布高度一致。
• 宽 DLA 主要来源于质量 ≥ 10^11 M☉ 的晕，特别是大质量晕中较小的卫星星系，这得益于这些系统中气体被高效地喷射出去。
• 外流通过将气体从小型卫星星系中推出，增加了大质量晕的有效截面，从而提高了宽 DLA 的形成概率。
• 窄 DLA 可在任意质量的晕中形成，但宽 DLA 与大质量晕密切相关，且仅在存在外流时才会产生。
• 动量驱动模型的成功表明，外流并非仅仅是副产品，而是塑造 DLA 动力学特性的基本机制，可能对高红移星系反馈效率起到约束作用。