[论文解读] Global structure and formation of polar-ring galaxies

В. П. Решетников, N. Ya. Sotnikova|ArXiv.org|Apr 4, 1997

Spectroscopy and Laser Applications参考文献 6被引用 8

一句话总结

本文通过观测分析与气体动力学模拟，研究极环星系的全局结构及其形成机制。研究发现存在一种二分性：以星系核球为主导的S0星系仅形成短而窄的环，而以盘面为主导的星系则形成宽广且延伸的环。模拟结果表明，与一颗富含气体的螺旋星系发生并合时，约在7–9×10^8年内捕获约10^9 M☉的气体（约占供体星系气体质量的10%），而当存在大质量暗物质晕时，所需时间尺度更长（可达数Gyr），这解释了S0星系中宽广且持久的环的大小与寿命。

ABSTRACT

We present an analysis of structural features of all known galaxies with optical polar rings. We find a clear dichotomy for objects of this peculiar class. Bulge-dominated S0 galaxies possess only short narrow rings, while disk-dominated objects always have wide extended polar rings. We try by gas dynamical simulations to explain such a segregation by dependence of the ring-forming process on different galaxy potentials. It is found that the total mass captured into the ring during an encounter of a host-ring system with a gas-rich spiral galaxy of comparable mass exceeds 10^9 M_{\odot} (or about 10% of all gas in the donor galaxy), which is of the order of that found by observation. The process of gas to gather into a steady-state ring takes approximately (7 - 9) x 10^8 years. This time is somewhat shorter for rings forming around bulge-dominated galaxies. We also present observational arguments for S0 galaxies with extended rings to be similar to late-type spirals by their photometric properties, while numerical modelling of the extended ring formation suggests that these galaxies must possess massive dark halos as well. In this case, the sizes of the modelled rings turn out large enough (up to 30 kpc in diameter), and the time scale for ring formation is prolonged up to several Gyrs.

研究动机与目标

• 理解以核球为主导的S0星系作为宿主的极环星系与以盘面为主导的宿主星系之间的结构差异。
• 研究极环形成背后的物理机制，特别是星系势能与并合动力学的作用。
• 确定在形成环的并合事件中捕获的气体质量以及环结构稳定化的 timescale。
• 评估暗物质晕在塑造宽广极环的大小与寿命方面的作用。

提出的方法

• 对所有已知光学可见的极环星系进行了结构分析，以识别形态上的二分性。
• 对一颗宿主星系与一颗质量相当、富含气体的螺旋星系之间的并合过程进行了气体动力学模拟。
• 追踪相互作用过程中气体的演化，测量被捕获至环结构的总质量。
• 在模拟中改变宿主星系的势能分布（核球主导 vs. 盘面主导），并引入大质量暗物质晕，以评估其对环大小与形成 timescale 的影响。
• 将模拟得到的环特性（大小、质量、timescale）与观测数据进行比较，以验证模型的可靠性。
• 采用时变方法，从初始并合到稳定态构型，建模环的形成过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么原因导致了S0星系中短而窄的极环与盘面主导星系中宽广延伸的极环之间的结构二分性？
• RQ2 在并合事件中通常捕获多少气体以形成极环，该数值是否与观测到的质量一致？
• RQ3 在不同宿主星系势能下，极环形成并稳定化的特征 timescale 是什么？
• RQ4 大质量暗物质晕如何影响模拟中极环的大小与寿命？
• RQ5 具有宽广极环的S0星系在光度与动力学上是否与晚型螺旋星系相似？

主要发现

• 以核球为主导的S0星系仅形成短而窄的极环，而以盘面为主导的星系则始终形成宽广且延伸的极环。
• 气体动力学模拟显示，与质量相当的富含气体螺旋星系并合时，可捕获约10^9 M☉的气体进入环结构，与观测估计值一致。
• 稳定极环的形成 timescale 为(7–9)×10^8年，核球主导宿主的形成时间略短。
• 当模拟中引入大质量暗物质晕时，环的直径可扩展至最大30 kpc，与观测结果一致。
• 在包含暗物质晕的模型中，形成 timescale 延长至数Gyr，这解释了S0星系中极环的延伸特性。
• 观测与模拟证据表明，具有宽广环的S0星系在光度特性上与晚型螺旋星系相似，但需依赖大质量暗物质晕才能重现其环结构。