[论文解读] Simulations of minor mergers. I. General properties of thick disks

Álvaro Villalobos, A. Helmi|ArXiv.org|Mar 15, 2008

Astrophysical Phenomena and Observations参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了通过质量比为10–20%的卫星对已有薄盘进行小质量并合形成厚盘的过程。模拟结果表明，此类并合可将盘面加热为一个厚而运动学温度较高的成分，其形态与动力学特性与银河系厚盘一致，同时保留约15–25%质量的残余薄盘成分，并揭示σZ/σR随半径的变化趋势是初始卫星轨道倾角的强判别指标。

ABSTRACT

We present simulations of the formation of thick disks via the accretion of two-component satellites onto a pre-existing thin disk. Our goal is to establish the detailed characteristics of the thick disks obtained in this way, as well as their dependence on the initial orbital and internal properties of the accreted objects. We find that mergers with 10-20% mass of the mass of the host lead to the formation of thick disks whose characteristics are similar, both in morphology as in kinematics, to those observed. Despite the relatively large mass ratios, the host disks are not fully destroyed by the infalling satellites: a remaining kinematically cold and thin component containing ~15-25% of the mass can be identified, which is embedded in a hotter and thicker disk. This may for example, explain the existence of a very old thin disk stars in the Milky Way. The final scale-heights of the disks depend both on the initial inclination and properties of the merger, but the fraction of satellite stellar particles at ~4 scale-heights directly measures the mass ratio between the satellite and host galaxy. Our thick disks typically show boxy isophotes at very low surface brightness levels (>6 magnitudes below their peak value). Kinematically, the velocity ellipsoids of the simulated thick disks are similar to that of the Galactic thick disk at the solar radius. The trend of sigma_Z/sigma_R with radius is found to be a very good discriminant of the initial inclination of the accreted satellite. In the Milky Way, the possible existence of a vertical gradient in the rotational velocity of the thick disk as well as the observed value of sigma_Z/sigma_R at the solar vicinity appear to favour the formation of the thick disk by a merger with either low or intermediate orbital inclination.

研究动机与目标

• 确定小质量并合是否能够重现类似银河系的星系中厚盘的观测形态与动力学特性。
• 研究厚盘特性对卫星质量比、轨道倾角及内部结构的依赖关系。
• 评估原始薄盘在小质量并合加热后是否能够存活及其特性。
• 评估银河系厚盘中观测到的动力学趋势（尤其是σZ/σR）是否可由并合加热机制解释。
• 建立定量诊断工具（如4倍标高处的粒子比例），用于从观测中推断并合质量比。

提出的方法

• 对包含已有薄盘和双组分卫星（恒星与暗物质）的小质量并合进行数值N体模拟。
• 初始条件变化包括卫星质量比（10–20%）、轨道倾角（顺行与逆行）及内部结构（盘状或球状）。
• 模拟追踪盘面标长、标高、等高线形状及速度弥散度剖面（σR, σZ）随时间的演化。
• 分析恒星粒子的相空间与空间分布，以识别残余薄盘成分与卫星碎片。
• 利用高于中平面4倍标高的卫星粒子比例作为并合质量比的诊断指标。
• 计算并比较σZ/σR等运动学趋势与银河系观测结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 质量比为10–20%的小质量并合能否重现银河系厚盘的观测标高与动力学特性？
• RQ2 小质量并合后，原始薄盘的多少比例得以存活？其结构与动力学特性如何？
• RQ3 卫星初始轨道倾角如何影响厚盘最终的动力学结构，特别是σZ/σR？
• RQ4 小质量并合模拟能否再现厚盘在低表面亮度水平下的观测盒形等高线？
• RQ5 太阳半径处观测到的σZ/σR ≈ 0.6是否与小质量并合起源一致？其对并合轨道倾角有何含义？

主要发现

• 质量比为10–20%的小质量并合可产生标高为原始薄盘3–6倍的厚盘，具体取决于卫星倾角。
• 残余薄盘成分得以存活，占总恒星质量的15–25%，运动学上较冷，并嵌入在更热的厚盘中。
• 模拟厚盘中σZ/σR的径向趋势与卫星初始轨道倾角强相关，中等或低倾角更有利于重现银河系观测值。
• 在高于中平面4倍标高的位置，卫星粒子的比例可直接测量卫星与宿主星系的质量比，且与卫星形态或轨道类型无关。
• 模拟厚盘的外层等高线在表面亮度低于峰值6 mag的水平下始终呈现盒形，该特征或可在低表面亮度星系中探测到。
• 模拟重现了太阳半径处银河系厚盘的观测速度张量，支持小质量并合作为厚盘形成机制的合理性。