[论文解读] Galaxies and Overmerging: What Does it Take to Destroy a Satellite Galaxy?

Stelios Kazantzidis, Ben Moore+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2003

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用高分辨率N体模拟，探究冷暗物质（CDM）亚晕是否能被完全潮汐剥离，形成超致密矮星系（UCD）。结果表明，只有极端低集中度的晕——远低于CDM理论预测——才可能在星系团时标内发生剥离，而重子效应进一步增强了其抗剥离能力，挑战了CDM模型解释UCD起源的能力。

ABSTRACT

The Ultra Compact Dwarf (UCD) galaxies recently discovered in the Fornax and Virgo clusters exhibit structural similarity to the dense nuclei of nucleated dEs indicating that the progenitor galaxy and its halo have been entirely tidally disrupted. Using high resolution $N$-body simulations with up to ten million particles we investigate the evolution and tidal stripping of substructure halos orbiting within a host potential. We find that complete disruption of satellite halos modeled following the NFW density profile occurs only for very low values of concentration in disagreement with the theoretical predictions of CDM models. This discrepancy is further exacerbated when we include the effect of baryons since disk formation increases the central density.

研究动机与目标

• 确定CDM模型中卫星星系在何种条件下可被完全潮汐剥离，从而模拟UCD的形成。
• 评估晕集中度与重子物理在卫星星系抵抗潮汐剥离过程中的作用。
• 检验观测到的UCD是否可作为标准CDM宇宙学框架下被潮汐剥离的矮星系残余来解释。
• 评估数值分辨率与初始条件对剥离时标的影响。
• 约束在星系团环境中实现完全剥离所需的结构参数（如集中度、质量分辨率）

提出的方法

• 采用最多1000万粒子的高分辨率N体模拟，对具有NFW密度分布的卫星晕进行建模。
• 模拟采用静态、球对称的主机势，代表福尔纳克斯星系团晕，其质量为 $ M_{ m prim} = 0.5 imes 10^{14} m hinspace M_igodot $，集中度为 $ c_{ m prim} = 8.5 $。
• 卫星晕初始质量为 $ M_{ m sat} = 2 imes 10^{10} m hinspace M_igodot $，集中度 $ c_{ m sat} $ 可变，粒子数 $ N $ 从 $ 10^5 $ 到 $ 10^7 $ 不等。
• 引力软化长度设为 $ ho = 50 $ pc，以解析至UCD尺度（$ ho imes 2 $），当在 $ ho imes 2 $ 或更大尺度上不再存在束缚结构时，定义为完全剥离。
• 使用群集搜索算法SKID追踪随时间变化的束缚质量，能量守恒优于0.1%。
• 采用半解析盘模型评估重子效应，应用Mo, Mao, & White (1998)框架计算有效集中度 $ c_{ m eff} $。

实验结果

研究问题

• RQ1 CDM亚晕的何种集中度值可使其在星系团演化时标内实现完全潮汐剥离？
• RQ2 引入重子盘形成后，卫星晕对潮汐剥离的抗性如何变化？
• RQ3 数值分辨率与初始条件在多大程度上影响观测到的剥离时标？
• RQ4 在CDM框架下，能否重现观测到的UCD结构特性作为被潮汐剥离的矮星系残余？
• RQ5 在给定轨道参数与星系团势场的条件下，为匹配观测到的UCD群体，初始晕集中度需达到何种水平？

主要发现

• 仅当集中度极低（$ c_{ m sat} < 5 $）时，NFW卫星晕才会发生完全剥离，这与理论CDM预测严重不符。
• 集中度为 $ c_{ m sat} = 9 $ 的卫星（100亿年时剥离的上限）可显著更长时间存活，表明仅在极低集中度下才可能在合理时标内实现剥离。
• 仅当粒子数趋于 $ N ightarrow 10^6 $ 时才实现数值收敛；低分辨率（$ 10^5 $）会人为加速剥离过程。
• 重子盘形成显著提高有效集中度 $ c_{ m eff} $，使晕对潮汐剥离的抗性远强于纯暗物质模型。
• 为使 $ c_{ m eff} ightarrow 9 $，初始晕集中度必须满足 $ c_{ m halo} < 3 $，该值比此质量尺度下CDM理论预测低超过4σ。
• 所需低集中度与CDM预测值之间的显著差异表明，标准CDM模型无法自然解释UCD作为潮汐剥离卫星的起源。