[论文解读] Properties of disk galaxies in a hierarchical formation scenario

V. Ávila-Reese, C. Firmani|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 23

一句话总结

本文在冷暗物质宇宙学框架下提出了一种分层的由内向外的盘状星系形成模型，利用引力不稳定性与能量平衡来调控恒星形成。结果表明，星系性质及其观测到的相关性（如颜色-星等关系和Tully-Fisher关系）主要由三个初始因素决定： virial质量、星系晕质量聚集历史（MAH）和自旋参数 $\lambda$，对质量或恒星形成效率的依赖性极小。

ABSTRACT

We used galaxy evolutionary models in a hierarchical inside-out formation scenario to study the origin of the main properties and correlations of disk galaxies. We found that most of these properties and correlations are the result of three (cosmological) initial factors and their dispersions: the virial mass, the halo mass aggregation history (MAH), and the angular momentum given through the spin parameter λ. The MAH determines mainly the halo structure and the color indexes while λdetermines mainly the surface brightness and the bulge-to-disk ratio. We calculated star formation (SF) using a gravitational instability criterion and a self-regulation mechanism in the turbulent ISM. The efficiency of SF in this model is almost independent from the mass. We show that the luminosity-dependent dust absorption empirically determined by Wang & Heckman explains the observed color-magnitude and color Tully-Fisher (TF) relations without the necessity of introducing a mass-dependent SF efficiency. The disks in centrifugal equilibrium form within growing CDM halos with a gas accretion rate proportional to the MAH. The disks present exponential surface density and brightness profiles, negative radial color index gradients, and nearly flat rotation curves. We also calculated the secular formation of a bulge due to gravitational instabilities in the stellar disk. The intensive properties of our models agree with the observational data and the trends of the Hubble sequence are reproduced. The predicted infrared TF and luminosity-radius relations also agree with observations. The main shortcomings of our inside-out hierarchical models are the excessive radial color gradients and the dark halo dominion in the rotation curve decompositions.

研究动机与目标

• 探究盘状星系的主要观测性质及其相关性是否可由分层的、由内向外的形成情景解释。
• 确定宇宙学初始条件——特别是virial质量、星系晕质量聚集历史（MAH）和自旋参数 $\lambda$——在塑造星系性质中的相对作用。
• 检验是否可在不假设与质量相关的恒星形成效率的前提下，重现观测到的颜色-星等关系和Tully-Fisher关系（TFR）。
• 研究径向颜色梯度以及盘状星系结构特性（如指数表面亮度分布和平坦旋转曲线）的起源。
• 评估模型的局限性，特别是旋转曲线分解中对暗物质主导性的过度预测，以及由此揭示的模型缺陷。

提出的方法

• 在冷暗物质（CDM）晕中通过由内向外的生长机制模拟盘状星系形成，气体吸积率与晕的MAH成正比。
• 基于引力不稳定性设计恒星形成准则，并引入由湍流星际介质中能量平衡驱动的自调节机制。
• 采用基于Wang & Heckman（1996）的光度依赖性尘埃消光模型，其中 $A_B \approx 0.43 + 0.42\log(L_B/10^{10}L_\odot)$，以校正观测颜色中的尘埃吸收效应。
• 在角动量守恒且 $\lambda$ 恒定的条件下，计算盘状星系的表面密度与亮度分布，从而导出指数分布。
• 通过恒星盘中引力不稳定性模拟恒星盘的缓慢演化，贡献于核球-盘面亮度比。
• 通过组合盘与晕成分计算旋转曲线，其中晕采用Navarro-Frenk-White（NFW）剖面，并与观测结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 virial质量、星系晕质量聚集历史（MAH）和自旋参数 $\lambda$ 在多大程度上决定了盘状星系的全局性质？
• RQ2 是否可在不假设与质量相关的恒星形成效率的前提下，重现观测到的颜色-星等关系和Tully-Fisher关系？
• RQ3 在分层的由内向外形成模型中，径向颜色梯度和表面亮度分布如何形成？
• RQ4 为何模型中旋转曲线分解显示出过度的暗物质主导性，与观测结果不符？
• RQ5 尘埃消光、缓慢演化过程以及非定常恒星形成在缓解模型缺陷中起到何种作用？

主要发现

• 由于角动量守恒和 $\lambda$ 恒定的由内向外盘状星系形成，模型成功重现了指数表面亮度分布和近乎平坦的旋转曲线。
• 径向 $B-V$ 颜色梯度为负值——外区更蓝——因为内区更早形成，与观测到的颜色梯度一致。
• Tully-Fisher关系被良好再现，其散射主要由星系晕质量聚集历史（MAH）的离散性引起，而非恒星形成效率。
• 恒星质量-光度比 $M/L_B$ 和 $B-V$ 颜色指数几乎与星系质量无关，这是由于恒星形成效率几乎与质量无关。
• 模型可充分解释观测到的光度依赖性尘埃消光（来自Wang & Heckman），而无需引入与质量相关的恒星形成效率，即可重现颜色-星等关系和TFR。
• 模型的主要缺陷在于径向颜色梯度过度、旋转曲线分解中对暗晕主导性的过度预测，提示标准CDM模型可能存在局限，或需引入额外物理机制，如更浅的晕剖面或角动量转移过程。