[论文解读] Stream-subhalo interactions in the Aquarius simulations

Robyn E. Sanderson, Carlos Vera-Ciro+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2016

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

一句话总结

本研究首次在宇宙学暗物质-only模拟（Aquarius A-2）中实现了对星流-次晕相互作用速率的自洽测量，通过追踪18条薄星流随时间的变化，量化了在不同距离阈值内与暗物质次晕的遭遇次数。在1 kpc内，中位相互作用速率为每10 kpc每10 Gyr 1.5次，增至5 kpc内达61.8次，且由于分辨率效应，观测到的速率低于理论预测值。

ABSTRACT

We perform the first self-consistent measurement of the rate of interactions between stellar tidal streams created by disrupting satellites and dark subhalos in a cosmological simulation of a Milky-Way-mass galaxy. Using a retagged version of the Aquarius A dark-matter-only simulation, we selected 18 streams of tagged star particles that appear thin at the present day and followed them from the point their progenitors accrete onto the main halo, recording in each snapshot the characteristics of all dark-matter subhalos passing within several distance thresholds of any tagged star particle in each stream. We considered distance thresholds corresponding to constant impact parameters (1, 2, and 5 kpc), as well as those proportional to the region of influence of each subhalo (one and two times its half-mass radius $r_{1/2}$). We then measured the age and present-day, phase-unwrapped length of each stream in order to compute the interaction rate in different mass bins and for different thresholds, and compared these to analytic predictions from the literature. We measure a median rate of $1.5^{+3.0}_{-1.1}\ (9.1^{+17.5}_{-7.1},\ 61.8^{+211}_{-40.6})$ interactions within 1 (2, 5) kpc of the stream per 10 kpc of stream length per 10 Gyr. Resolution effects (both time and particle number) affect these estimated rates by lowering them.

研究动机与目标

• 测量宇宙学模拟中薄星流与暗物质次晕之间的相互作用速率，以应对探测非发光次结构的挑战。
• 评估通过星流的动力学印记探测暗次晕的可行性，因为星流对质量子结构极为敏感，源于其冷且相干的相空间分布。
• 量化模拟中的空间分辨率与时间采样对测量相互作用速率的影响，并与解析预测进行比较。
• 识别与星流发生相互作用的次晕的质量与速度分布，特别是那些位于其半质心半径数倍范围内的次晕。
• 评估由次晕遭遇引起的星流中空隙与畸变的可观测性，考虑轨道复杂性及潜在信号衰减。

提出的方法

• 使用Aquarius A-2暗物质-only模拟的重标记版本，从具有平滑初始相空间分布的被俘获星系前体中生成18条薄星流。
• 追踪所有次晕（通过最绑定粒子识别）在固定距离阈值（1、2、5 kpc）及质量相关阈值（1×和2×半质心半径r₁/₂）内经过任一星流标记粒子的轨迹，并在各快照中进行分析。
• 以每10 kpc星流长度每10 Gyr为单位测量相互作用速率，计算样本中位速率，并分析其与质量、距离和时间的依赖关系。
• 计算星流年龄与相空间展开长度，以评估演化与相互作用历史，并与文献中的解析模型进行比较。
• 通过识别因时间采样粗糙和粒子分辨率低导致的遗漏（尤其影响晚期相互作用）来考虑分辨率限制的影响。
• 选择在当前时刻仍保持相干性的星流，以避免高度破坏系统的偏差，尽管这可能排除了频繁遭遇的星流。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学N体模拟中，薄星流与暗物质次晕之间的实际相互作用速率是多少？
• RQ2 分辨率与时间采样如何影响测量到的相互作用速率？它们在多大程度上抑制了观测到的遭遇？
• RQ3 不同距离阈值（包括固定值1、2、5 kpc和次晕质量相关值r₁/₂、2r₁/₂）下的相互作用速率如何变化？
• RQ4 发生相互作用的次晕的速度与质量是否代表了次晕总体分布，还是存在选择效应？
• RQ5 观测到的相互作用速率与解析预测相比如何？这对通过星流畸变探测暗次晕的可行性有何启示？

主要发现

• 中位相互作用速率为1.5⁺³·⁰₋₁·¹次/10kpc/10Gyr（1 kpc内），增至2 kpc内为9.1⁺¹⁷·⁵₋⁷·¹次，5 kpc内达61.8⁺²¹¹₋⁴⁰·⁶次。
• 对于质量相关阈值，质量介于10⁶至10⁸ M☉（最高达10⁸·⁵ M☉）的次晕在2r₁/₂范围内与星流发生相互作用的概率相当。
• 在整个生命周期中，仅有12个次晕穿过主星流的2r₁/₂范围，其中仅2个次晕进入r₁/₂范围，且无次晕经历多次遭遇。
• 相互作用次晕的速度与星流速度无显著相关性，表明为随机遭遇而非共振相互作用。
• 分辨率效应（尤其是时间采样粗糙和粒子分辨率低）导致真实相互作用速率被低估，尤其在遭遇频率较高的晚期阶段更为明显。
• 测量速率低于解析预测值，但在较大撞击参数下趋于收敛，证实分辨率限制了观测到的速率。