[论文解读] Shell galaxies: kinematical signature of shells, satellite galaxy disruption and dynamical friction

Ivana Ebrová|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 143被引用 7

一句话总结

本论文提出了一种由径向小质量并合形成的星系壳层的运动学模型，表明视线速度分布（LOSVD）表现出特征性的四峰轮廓。通过建立峰位置与圆轨道速度及壳层传播速度之间的解析表达式，研究显示壳层运动学可独立约束宿主星系中约100 kpc范围内的暗物质分布，同时量化了动力摩擦与潮汐撕裂对壳层形态和形成时间的影响。

ABSTRACT

Stellar shells observed in many giant elliptical and lenticular as well as a few spiral and dwarf galaxies presumably result from radial minor mergers of galaxies. We show that the line-of-sight velocity distribution of the shells has a quadruple-peaked shape. We found simple analytical expressions that connect the positions of the four peaks of the line profile with the mass distribution of the galaxy, namely, the circular velocity at the given shell radius and the propagation velocity of the shell. The analytical expressions were applied to a test-particle simulation of a radial minor merger, and the potential of the simulated host galaxy was successfully recovered. Shell kinematics can thus become an independent tool to determine the content and distribution of dark matter in shell galaxies up to ~100 kpc from the center of the host galaxy. Moreover we investigate the dynamical friction and gradual disruption of the cannibalized galaxy during the shell formation in the framework of a simulation with test particles. The coupling of both effects can considerably redistribute positions and luminosities of shells. Neglecting them can lead to significant errors in attempts to date the merger in observed shell galaxies.

研究动机与目标

• 建立一种利用观测视线速度分布（LOSVD）探测星系壳层中暗物质分布的运动学方法。
• 模拟径向小质量并合形成恒星壳层的过程，并推导壳层系统的运动学特征的解析表达式。
• 量化动力摩擦与潮汐撕裂对壳层位置与亮度的影响，这些因素会影响并合年龄的估算。
• 通过测试粒子模拟验证解析模型，并与自洽的N体模拟结果进行比较。
• 提供一个框架，使壳层运动学可作为独立工具用于测量早期型星系的引力势与暗物质含量。

提出的方法

• 推导了LOSVD中四个峰的位置与壳层半径处的圆轨道速度及壳层传播速度之间的解析关系式。
• 应用径向振荡模型模拟壳层系统中恒星的运动，并在恒定加速度条件下推导LOSVD形状。
• 使用修改版MERGE 9代码的测试粒子模拟，模拟径向小质量并合并提取运动学数据。
• 采用多重三体算法（MTBA）模拟被吞噬星系的动力摩擦与潮汐撕裂效应。
• 使用GADGET-2进行自洽模拟，与测试粒子模拟结果对比，验证解析模型的假设。
• 利用推导的解析关系，从模拟的LOSVD中重建宿主星系势能，证实该方法的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系壳层的视线速度分布中四峰结构能否通过解析方法与宿主星系引力势直接关联？
• RQ2 卫星体的动力摩擦与潮汐撕裂如何影响观测到的壳层空间分布与亮度？
• RQ3 若在运动学建模中忽略这些动力学效应，对推断的并合年龄偏差程度如何？
• RQ4 该解析模型能否准确从模拟LOSVD中恢复宿主星系的圆轨道速度分布？
• RQ5 测试粒子模拟与自洽N体模拟在重现壳层运动学与形态特征方面的结果有何异同？

主要发现

• 星系壳层的视线速度分布（LOSVD）表现出稳健的四峰结构，直接关联于壳层系统中恒星的径向振荡。
• 推导出的解析表达式将LOSVD四个峰的位置与壳层半径处的圆轨道速度及壳层传播速度联系起来，使从观测中恢复引力势成为可能。
• 通过解析模型成功从LOSVD数据中恢复了模拟宿主星系的势能，验证了该方法在探测约100 kpc范围内暗物质含量方面的有效性。
• 动力摩擦显著改变卫星体的轨道衰减，重新分布壳层位置与亮度，若忽略则可能导致并合年龄估算出现巨大误差。
• 潮汐撕裂导致卫星体质量损失与形变，进一步改变壳层形成机制，改变观测到的运动学与形态学模式。
• 自洽的GADGET-2模拟证实，经过恰当处理动力摩擦的测试粒子模拟能够重现壳层系统的关键特征，支持了解析框架的有效性。