[论文解读] Secular Evolution in Disk Galaxies: Pseudobulge Growth and the Formation of Spheroidal Galaxies

John Kormendy, David B. Fisher|ArXiv.org|Oct 14, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文认为，由盘星系内部的缓慢演化形成的伪核球（pseudobulges）常被误认为是经典核球，这挑战了冷暗物质模型所预测的频繁大并合。通过高分辨率光谱和结构分析，作者发现像M101和NGC6946这样的大质量无核球螺旋星系拥有低 dispersion 的核球星团，证实了伪核球的起源，并揭示了许多大质量盘星系在未经历大并合的情况下演化，尤其是在低密度环境中。

ABSTRACT

Updating Kormendy & Kennicutt (2004, ARAA, 42, 603), we review internal secular evolution of galaxy disks. One consequence is the growth of pseudobulges that often are mistaken for true (merger-built) bulges. Many pseudobulges are recognizable as cold, rapidly rotating, disky structures. Bulges have Sersic function brightness profiles with index n > 2; most pseudobulges have n <= 2. Recognition of pseudobulges makes the biggest problem with cold dark matter galaxy formation more acute: How can hierarchical clustering make so many pure disk galaxies with no evidence for merger-built bulges? E. g., the giant Scd galaxies M101 and NGC 6946 have rotation velocities of V ~ 200 km/s but nuclear star clusters with velocity dispersions of 25 to 40 km/s. Within 8 Mpc of us, 11 of 19 galaxies with V > 150 km/s show no evidence for a classical bulge, while only 7 are ellipticals or have classical bulges. It is hard to understand how bulgeless galaxies could form as the quiescent tail of a distribution of merger histories. Our second theme is environmental secular evolution. We confirm that spheroidal galaxies have fundamental plane (FP) correlations that are almost perpendicular to those for bulges and ellipticals. Spheroidals are not dwarf ellipticals. Rather, their structural parameters are similar to those of late-type galaxies. We suggest that spheroidals are defunct late-type galaxies transformed by internal processes such as supernova-driven gas ejection and environmental processes such as secular harassment and ram-pressure stripping. Minus spheroidals, the FP of ellipticals and bulges has small scatter. With respect to these, pseudobulges are larger and less dense.

研究动机与目标

• 澄清盘星系中经典核球（由并合形成）与伪核球（由内部缓慢过程形成）之间的区别。
• 通过展示存在高圆周速度、无并合特征的大质量无核球盘星系，挑战冷暗物质（CDM）范式。
• 研究为何在本星系群等低密度环境中，大质量无核球星系更为常见，而大并合事件在此类区域几乎不可能发生。
• 研究伪核球和星系状星体的结构与动力学特性，以确定其形成机制。
• 评估星系状星体是否为因内部过程和环境过程（如气体喷射、星系扰动和ram-pressure stripping）而转变的晚型星系。

提出的方法

• 对大质量螺旋星系（如M101、NGC6946、IC342）核区进行高分辨率光谱观测（仪器分辨率≈5–8 km s⁻¹），测量恒星速度 dispersion。
• 利用J、H、K波段的测光数据，通过Sérsic指数分布（n）区分经典核球（n > 2）与伪核球（n < 2）。
• 利用动力学数据（来自CO旋转曲线的V(r)分布）评估中心质量集中度和旋转支持。
• 使用HyperLeda和Tonry等（2001）的数据，对8 Mpc内19个V_circ > 150 km s⁻¹的星系进行统计分析，以分类核球类型。
• 比较星系状星体、经典核球与椭圆星系的质心平面相关性，推断其形成物理机制的差异。
• 应用涉及棒驱动和旋臂结构驱动的角动量再分布的缓慢演化模型，研究盘星系中的演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何像M101和NGC6946这样具有V_circ ≈ 200 km s⁻¹的大型螺旋星系，尽管质量巨大，却缺乏经典核球？
• RQ2 在结构参数、动力学特性及形成机制方面，伪核球与经典核球有何区别？
• RQ3 为何在本星系群等低密度环境（如本星系群）中，无核球星系比在密集星系团（如室女座星系团）中更为常见？
• RQ4 星系状星体与矮椭圆星系在结构参数上有何不同？何种过程可将晚型盘星系转化为星系状星体？
• RQ5 内部缓慢演化以及环境过程（如ram-pressure stripping和星系扰动）在多大程度上可解释星系状星体的形成？

主要发现

• 在8 Mpc内V_circ > 150 km s⁻¹的19个大质量星系中，11个未显示经典核球的证据，表明无核球盘星系是普遍现象，而非罕见。
• M101、NGC6946和IC342的核速度 dispersion 均为25–38 km s⁻¹，远低于其圆周速度（约210 km s⁻¹），证实其为伪核球。
• 大多数伪核球的Sérsic指数n < 2，与经典核球（n > 2）形成对比；其盘状、快速旋转的形态支持其内部缓慢演化的起源。
• 星系状星体并非矮椭圆星系；其结构参数与晚型星系相似，极可能是因内部和环境过程而转变的废弃晚型系统。
• 星系状星体的质心平面相关性几乎与经典核球和椭圆星系垂直，表明其形成物理机制不同。
• 伪核球通过变得松散、密度降低而演化，而非像核星团那样致密化，表明其起源与经典核星团截然不同。