[论文解读] Secular Evolution in Disk Galaxies: The Growth of Pseudobulges and Problems for Cold Dark Matter Galaxy Formation

John Kormendy, David B. Fisher|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2005

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 5被引用 11

一句话总结

本文提出，由内禀过程（如棒驱动的气体内流）驱动的普遍演化（secular evolution）在盘星系中形成类伪核（pseudobulges），这些类伪核模仿经典核球，但起源于盘面物质。观测显示，类伪核保留了盘状特性（例如更扁平的形状、有序旋转），与并合形成的核球相区别。其关键贡献在于，这一过程对冷暗物质模型构成挑战，因为冷暗物质模型难以在不经历大并合的情况下解释无核球、纯盘星系的丰度。

ABSTRACT

We review internal secular evolution in galaxy disks -- the fundamental process by which isolated disks evolve. We concentrate on the buildup of dense central features that look like classical, merger-built bulges but that were made slowly out of disk gas. We call these pseudobulges. As an existence proof, we review how bars rearrange disk gas into outer rings, inner rings, and gas dumped into the center. In simulations, this gas reaches high densities, and in the observations, many SB and oval galaxies show central concentrations of gas. Associated star formation rates imply plausible pseudobulge growth times of a few billion years. If secular processes built dense centers that masquerade as bulges, can we distinguish them from merger-built bulges? Observations show that pseudobulges retain a memory of their disky origin. They have one or more characteristics of disks: (1) flatter shapes than those of classical bulges, (2) larger ratios of ordered to random velocities, (3) smaller velocity dispersions, (4) nuclear bars or spiral structure, (5) boxy structure when seen edge-on, (6) nearly exponential brightness profiles, and (7) starbursts. These features occur preferentially in barred and oval galaxies in which secular evolution should be rapid. So the cleanest examples of pseudobulges are recognizable. Thus observations and theory contribute to a new picture of galaxy evolution that complements hierarchical clustering and merging. However, an important problem with cold dark matter galaxy formation gets more acute. How can hierarchical clustering produce so many pure disk galaxies with no evidence for merger-built bulges?

研究动机与目标

• 确立类伪核——盘星系中密集的中心组分——是由内部普遍过程形成，而非大并合。
• 识别出与并合形成的经典核球相区别的观测与动力学特征。
• 量化普遍演化形成类伪核对冷暗物质（CDM）星系形成模型构成的挑战，特别是关于无核球、纯盘星系的存在问题。
• 评估通过普遍演化形成类伪核是否能调和晚型星系的观测特性与CDM宇宙学中的分级聚集。
• 通过将内部普遍过程与分级聚集相结合，增进对星系演化的理解，弥补星系形成模型中的缺失环节。

提出的方法

• 分析自引力系统的物理机制，表明能量与角动量输运通过负比热（随机运动）或角动量再分布（旋转支持）驱动盘面扩展与中心集中。
• 应用维里定理与在固定角动量下能量最小化，证明向外的角动量输运导致盘面扩展与中心质量集中。
• 使用流体动力学模拟与观测数据（哈勃空间望远镜、地面成像）模拟由棒与椭圆结构驱动的气体内流，展示高密度中心区域的形成。
• 采用Sérsic与指数组分的光度分解方法量化类伪核结构，特别是其近乎指数的表面亮度分布与比经典核球更扁平的形状。
• 比较类伪核与经典核球在速度弥散度、旋转支持及形态特征（如核棒、旋臂结构、箱形形状）上的差异，识别其动力学与结构特征。
• 评估经典核球与类伪核的光度函数，以评估核球的质量预算及普遍演化在塑造星系结构中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 普遍过程（如棒驱动的气体内流）是否能解释盘星系中密集中心组分的形成，而无需引入大并合？
• RQ2 哪些可观测特性可将普遍演化形成的类伪核与并合形成的经典核球区分开来？
• RQ3 观测到的大量无核球、纯盘星系在多大程度上挑战冷暗物质（CDM）星系形成模型的预测？
• RQ4 类伪核的增长如何影响对晚型星系中核盘分解的解释？
• RQ5 仅靠普遍演化是否足以解释星系的观测结构与动力学特性，特别是在分级聚集与CDM模拟的背景下？

主要发现

• 类伪核通过棒与椭圆结构驱动的普遍演化形成，这些结构将角动量向外输送，并将气体输运至星系中心，导致高密度中心集中。
• 类伪核保留了盘状特征：更扁平的形状、更高的有序速度与随机速度之比、更低的速度弥散度，且常含有核棒或旋臂结构。
• 观测显示，棒星系与椭圆星系中的类伪核具有近乎指数的表面亮度分布，并与星暴活动相关，表明其形成 timescales 约为数十亿年。
• 从Sb型到Sc型星系的过渡表现出显著变化：Sb型及更早类型宿主经典核球，而Sbc型及更晚类型则主要宿主类伪核，Sc型及更晚类型则无经典核球的证据。
• 光度分解显示，晚型星系（Sbc、Sc、Scd、Sd）的中位核球-总光度比分别为0.17、0.1、0.03与0.02，表明经典核球成分极少。
• 大量无核球、纯盘星系的存在——尤其在场域中——对冷暗物质模型构成重大挑战，因为该模型预测频繁的大并合会破坏盘面并形成经典核球。