[论文解读] The angular momentum of baryons and dark matter halos revisited

Taysun Kimm, Julien Devriendt+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 44

一句话总结

本研究利用自适应网格细化（AMR）的高分辨率宇宙学流体动力学模拟，重新审视了星系形成过程中的角动量转移问题。研究发现，冷气体丝状流在吸积时携带的比角动量显著高于暗物质晕的整体水平，直接将其注入中心区域（r ≤ 0.1 Rvir），而暗物质粒子则不受影响。尽管存在这种差异化的传输机制，总重子比角动量仍与暗物质晕保持接近，从而在模拟中实现了真实的恒星盘形成，这挑战了星系形成模型中气体与暗物质角动量相等的标准假设。

ABSTRACT

Recent theoretical studies have shown that galaxies at high redshift are fed by cold, dense gas filaments, suggesting angular momentum transport by gas differs from that by dark matter. Revisiting this issue using high-resolution cosmological hydrodynamics simulations with adaptive mesh refinement, we find that at the time of accretion, gas and dark matter do carry a similar amount of specific angular momentum, but that it is systematically higher than that of the dark matter halo as a whole. At high redshift, freshly accreted gas rapidly streams into the central region of the halo, directly depositing this large amount of angular momentum within a sphere of radius r=0.1rvir. In contrast, dark matter particles pass through the central region unscathed, and a fraction of them ends up populating the outer regions of the halo (r/rvir>0.1), redistributing angular momentum in the process. As a result, large-scale motions of the cosmic web have to be considered as the origin of gas angular momentum rather than its virialised dark matter halo host. This generic result holds for halos of all masses at all redshifts, as radiative cooling ensures that a significant fraction of baryons remain trapped at the centre of the halos. Despite this injection of angular momentum enriched gas, we predict an amount for stellar discs which is in fair agreement with observations at z=0. This arises because the total specific angular momentum of the baryons remains close to that of dark matter halos. We propose a new scenario where gas efficiently carries the angular momentum generated by large-scale structure motions deep inside dark matter halos, redistributing it only in the vicinity of the disc.

研究动机与目标

• 重新评估标准假设，即晕中气体与暗物质具有相等的比角动量。
• 研究重子物质与暗物质在整个宇宙时空中角动量的起源与演化。
• 确定气体与暗物质之间的角动量分离是否在不同晕质量与红移下具有普适性。
• 评估这种分离对真实恒星盘形成及观测到的标度关系的影响。
• 挑战基于束缚晕内角动量守恒的经典星系形成范式。

提出的方法

• 采用自适应网格细化（AMR）的高分辨率宇宙学流体动力学模拟，以解析冷气体丝状流及其吸积动力学。
• 使用Nut、Cosmo25和Cosmo50模拟套件，覆盖不同质量和红移范围的晕形成过程。
• 定义中心区域（r ≤ 0.1 Rvir）以隔离角动量向盘形成区域的转移。
• 比较在束缚晕及其内区中气体、恒星与暗物质的比角动量（j）。
• 应用拟合函数（公式3）以建模角动量随红移与晕质量的演化。
• 分析来自大尺度宇宙网运动的角动量通过冷流向中心星系的传输过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 与暗物质晕相比，吸积气体所携带的比角动量的起源是什么？
• RQ2 在吸积时刻及晕中心区域，气体的比角动量与暗物质相比如何？
• RQ3 气体与暗物质之间的角动量分离是否依赖于晕质量或红移？
• RQ4 尽管存在差异化的传输，为何总重子比角动量仍与暗物质晕保持接近？
• RQ5 冷气体吸积的存在如何影响真实恒星盘的形成及观测到的标度关系？

主要发现

• 在吸积时，气体携带的比角动量显著高于整个暗物质晕，尤其在中心区域（r ≤ 0.1 Rvir）中，其值可高出达两倍。
• 冷气体丝状流迅速流入晕中心，直接将其高角动量注入内晕，而暗物质粒子则无阻碍地穿过。
• 暗物质晕在演化过程中损失了其比角动量模值的二分之一至三分之二，但总重子角动量仍与暗物质晕保持接近。
• 尽管初始阶段气体与暗物质角动量存在不平衡，模拟中形成的恒星盘在z=0时的比角动量与观测结果相符。
• 气体与暗物质之间角动量的差异并非源于损失的差异，而是由于大尺度宇宙网运动通过冷流高效地将角动量向内输送。
• 标准假设——即在束缚晕内气体与暗物质具有相等的比角动量——是错误的；必须对盘形成理论进行重大修正。