[论文解读] Star formation and the interstellar medium in low surface brightness galaxies. III. Why they are blue, thin and poor in molecular gas

Jeroen Gerritsen, W. J. G. de Blok|University of Groningen research database (University of Groningen / Centre for Information Technology)|Oct 7, 1998

Astronomy and Astrophysical Research被引用 8

一句话总结

该论文通过N体模拟表明，低表面亮度（LSB）星系之所以呈现蓝色、薄盘状且分子气体贫乏，主要归因于其低金属丰度，这抑制了气体冷却并减少了冷气体比例。该模型预测分子气体比例低于5%，恒星形成率波动剧烈，解释了LSB星系的颜色弥散现象，并表明大多数富含气体的蓝色LSB星系与一个较小的、红色、休眠的、富含气体的星系群体（≤20%）共存。

ABSTRACT

We present N-body simulations of Low Surface Brightness (LSB) galaxies and their Interstellar Medium to investigate the cause for their low star formation rates (SFR).Due to their massive halos, stellar disks of LSB galaxies are very stable and thin. Lack of dust makes the projected edge-on surface brightness of LSB galaxies comparable to the projected edge-on surface brightness of dust-rich High Surface Brightness (HSB) galaxies of similar size. We show that the low surface densities found in LSB galaxies are by themselves not enough to explain the slow evolution of LSB galaxies. A low metal content of the gas is essential. As a consequence the gas cools inefficiently, resulting in an almost negligible cold gas fraction. We show that LSB galaxies must have molecular gas fractions of less than 5 percent. Our best model has a SFR which is on average low but fluctuates strongly. This causes the large spread in colors of LSB galaxies. From a distribution of birthrate parameters we conclude that the presently-known and modeled gas-rich blue LSB galaxies constitute the majority of the total population of gas-rich LSB disk galaxies. We deduce the existence of an additional red, quiescent and gas-rich population which constitutes less than 20 percent of the total population. This does not rule out the existence of a large number of gas-poor LSB galaxies. These must however have had an evolutionary history dramatically different from that of the gas-rich galaxies.

研究动机与目标

• 探究尽管气体含量高，低表面亮度（LSB）星系为何表现出低恒星形成率（SFR）的原因。
• 解释LSB星系中观测到的蓝色颜色、薄盘结构及低分子气体含量的物理成因。
• 确定金属丰度与气体冷却效率在塑造LSB系统中星际介质及恒星形成中的作用。
• 评估富含气体的LSB星系群体分布，包括是否存在一个休眠、红色、富含气体的子群体。
• 模拟LSB星系的演化历史，根据其形成路径区分富含气体与贫乏气体的星系群体。

提出的方法

• 对LSB星系进行N体模拟，并耦合星际介质（ISM）的流体动力学模型。
• 引入依赖于金属丰度的辐射冷却过程，以模拟气体温度与相结构。
• 采用多相ISM模型追踪原子相、分子相与冷气体相之间的转换。
• 模拟恒星形成率（SFR）随时间的演化，允许因不稳定性与气体动力学导致的波动。
• 将模拟得到的颜色分布与出生率参数与实际观测到的LSB星系群体进行比较。
• 利用依赖于金属丰度的冷却效率评估气体中分子形式所占比例，特别是在低金属丰度环境中。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何低表面亮度星系尽管气体含量高，却表现出低恒星形成率？
• RQ2 低金属丰度如何影响气体冷却及LSB星系中分子气体比例？
• RQ3 是什么原因导致LSB星系呈现出观测到的蓝色颜色与薄盘形态？
• RQ4 总LSB星系群体中，休眠、红色、富含气体的星系所占比例是多少？
• RQ5 恒星形成率的波动是否可解释LSB星系中观测到的颜色弥散现象？

主要发现

• LSB星系中的低金属丰度抑制了气体冷却，导致冷气体比例极低，分子气体比例低于5%。
• LSB星系的薄而稳定的盘状结构由大质量暗物质晕维持，而不仅仅是低表面亮度本身所致。
• 在最佳拟合模型中，恒星形成率随时间剧烈波动，解释了LSB星系中观测到的显著颜色弥散。
• 绝大多数富含气体的LSB盘状星系呈蓝色并处于活跃恒星形成状态，与观测到的出生率参数一致。
• 少数群体（≤20%）的红色、休眠但富含气体的LSB星系很可能存在，表明其具有独特的演化路径。
• 贫乏气体的LSB星系必须经历与富含气体星系截然不同的演化历史。