[论文解读] Re-interpretation of "Bar slowdown and the distribution of dark matter in barred galaxies" by Athanassoula

J. A. Sellwood, Victor P. Debattista|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 9

一句话总结

本文重新評估了Athanassoula（2014）提出的觀點，即棒狀結構的 corotation 半徑與棒長之比（$τ = R_c/a_B$）無法約束盤面質量主導性。研究表明，早期演化過程中的氣體流入會重新分配質量，使原本次最大化的盤面在棒形成時實際上變為最大化的，從而減少了動力摩擦，使棒能夠快速形成（$τ \lesssim 1.4$）。因此，$τ \sim 1.2 \pm 0.2$ 仍然是盤面質量主導性的一個強烈指標。

ABSTRACT

Athanassoula (2014) has claimed that measurements of the ratio of corotation radius to bar length in galaxies do not place a constraint on the disk to halo mass ratio. Her conclusion was based on a series of simulations published by Athanassoula et al. (2013). Here we show that these results are, in fact, consistent with previous work on the slow down of bars due to dynamical friction because gas inflow rearranges the disk mass before the bar settles. It therefore remains true that a bar rotating sufficiently fast that corotation is not far beyond the bar end requires a near maximum disk.

研究动机与目标

• 解決Athanassoula（2014）與先前研究之間的矛盾：即 $τ = R_c/a_B$ 是否能約束盤面與星系晕的質量比。
• 研究為何在初始星系晕質量分佈相同但氣體分數不同的模擬中，會產生不同的 $τ$ 值。
• 澄清動力摩擦準則取決於棒形成時的質量分佈，而非初始條件。
• 證明早期氣體流入會改變盤面結構，使原本次最大化的盤面在棒形成時實際上變為最大化的，從而解釋氣體豐富模型中快速棒的形成。

提出的方法

• 分析Athanassoula等人（2013）的15組模擬的時間序列數據，追蹤 $τ$ 隨時間的演化。
• 將 $τ$ 值與同一模擬中內盤質量（特別是1 kpc以內的質量）的演化進行比較。
• 使用同構收縮近似法估算質量重分佈對峰值圓周速度與盤面主導性之影響。
• 評估星系晕三軸性對氣體流入與質量集中度的影響，並與 $τ$ 的變化聯繫起來。
• 通過專注於棒形成時的有效質量分佈而非初始條件，重新審視動力摩擦準則。
• 將觀測到的 $τ$ 趨勢與Debattista與Sellwood（2000）的預期進行對比，當考慮質量演化時，兩者結果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 為何Athanassoula（2014）的氣體豐富盤模擬會產生快速棒（$τ \lesssim 1.4$），即使其初始狀態為次最大化的？
• RQ2 早期氣體流入如何改變具有不同初始氣體分數的模擬中星系盤的動力結構？
• RQ3 觀測到的 $τ$ 值在多大程度上取決於棒測量時的質量分佈，而非初始條件？
• RQ4 為何三軸星系晕會增強氣體流入，並與球形星系晕相比對 $τ$ 值產生不同的影響？
• RQ5 模擬中 $τ$ 的觀測變化是否與棒減速的動力摩擦準則一致？

主要发现

• Athanassoula模擬中最終的 $τ$ 值隨初始氣體分數增加而系統性降低，表明氣體豐富模型中棒形成更快。
• 在演化前20億年內，內盤質量（1 kpc以內）顯著增加，特別是在高氣體模型中，100%氣體情況下增加了四倍。
• 氣體流入導致的質量重分佈使原本次最大化的盤面在棒形成時實際上變為最大化的，從而減少了對棒的動力摩擦。
• 氣體豐富模型中的棒尺寸更小（例如，100%氣體情況下 $a_B \sim 5$ kpc，而純恆星盤中 $\sim 10$ kpc），進一步削弱了摩擦力。
• 當考慮棒形成時的有效盤面質量而非初始質量分佈時，觀測到的 $τ$ 值與動力摩擦準則一致。
• 認為 $τ$ 無法約束盤面質量主導性的說法是基於對準則的誤解，該準則取決於演化後的質量分佈，而非初始條件。