[论文解读] The Disk-Halo Connection and Where Has All The Gas Gone?

Joel N. Bregman|ArXiv.org|Jul 20, 2009

Astro and Planetary Science被引用 4

一句话总结

本文通过分析多相星系晕气（中性、温热及发射X射线的热气），研究螺旋星系（尤其是银河系）的盘-晕气体关联，以解决‘缺失重子’问题。研究提出，星系喷泉驱动外流，而冷吸积则为星系供气，重子贫乏星系的形成源于早期剧烈外流或吸积前加热，挑战了忽略反馈过程的标准星系形成模型。

ABSTRACT

The wealth of data in the past decades, and especially in the past 15 years has transformed our picture of the gas around the Milky Way and other spiral galaxies. There is good evidence for extraplanar gas that is a few kpc in height and is seen in all gaseous phases: neutral; warm atomic; and hot, X-ray emitting gas. This medium is seen not only around the Milky Way, but other spiral galaxies and it is related to the star formation rate, so it is likely produced by the activity in the disk through a galactic fountain. More extended examples of halo gas are seen, such as the HVC around the Milky Way and around M31. This gas is typically 10-20 kpc from the galaxy and is not seen beyond 50 kpc. This gas is most likely being accreted. A hot dilute halo (1E6 K) is present with a similar size, although its size is poorly determined. An ongoing controversy surrounds the relative amounts of outflow from the disk and accretion onto galaxies such as the Milky Way. There is good evidence for accretion of cold material onto the Milky Way and other galaxies, but it is not clear if there is enough to modify the gas content and star formation properties in the disk. The reservoir of accretion material is as yet unidentified. Some of these findings may be related to the issue that galaxies are baryon-poor: their baryon to dark matter ratio is well below the cosmological value. The absence of baryons may be due to extremely violent outflow events in the early stages of galaxy formation. We may be able to understand this stage of galaxy evolution by applying our deepening understanding of our local disk-halo environment.

研究动机与目标

• 理解星系晕中多相气体（包括中性、温热及发射X射线的热成分）的起源与分布。
• 解决宇宙重子分数与星系中观测到的重子含量之间的差异，即所谓的‘缺失重子’问题。
• 确定冷气体吸积还是星系喷泉外流在盘与晕之间气体交换中占主导地位。
• 评估反馈过程（尤其是超新星与活动星系核AGN活动）在将重子从星系中喷射出去并阻止其保留中的作用。
• 评估这些过程对星系形成模型的影响，这些模型目前假设宇宙重子分数而忽略反馈。

提出的方法

• 利用多波段观测：21 cm HI吸收线用于中性气体，紫外吸收线（如Ca、Na、OVI）用于温热电离气体，X射线发射用于高温（10⁶ K）气体。
• 通过多个晕星和背景AGN的吸收线光谱学确定距离约束，以确定高速云（HVCs）和中速云（IVCs）的空间范围与位置。
• 分析高温晕气的填充因子与流体静力平衡，以模拟其稳定性和动力学，尤其与星系喷泉循环的关系。
• 将星系（尤其是矮星系与螺旋星系）中观测到的重子分数与宇宙学值进行比较，以量化缺失重子分数。
• 评估星系超风与吸积前加热的理论模型，以评估其解释观测到的重子贫乏的能力。
• 利用X射线吸收光谱学探测大尺度丝状结构中难以捉摸的高温稀薄气体（10⁵–10⁷ K），这些结构连接星系群，预计可解释未观测到的重子。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系晕中的高速云（HVCs）与中速云（IVCs）的起源是什么——是吸积还是星系喷泉外流？
• RQ2 在银河系和M33等星系中，缺失重子质量的多少可由高温稀薄晕气和吸积的冷气体解释？
• RQ3 与宇宙平均值相比，超新星与AGN活动等反馈过程在解释星系重子贫乏特性方面起多大作用？
• RQ4 吸积前加热在阻止气体塌缩进入星系中起什么作用，这对星系晕的形成有何影响？
• RQ5 大尺度丝状结构中未解析的高温气体（10⁵–10⁷ K）能否解释宇宙重子预算中缺失的50%？

主要发现

• 银河系晕中的高速云（HVCs）位于距离盘面5–20 kpc处，表明其更可能是吸积物质而非星系喷泉的一部分。
• 中速云（IVCs）位于距离盘面0.5–4 kpc处，与星系喷泉过程驱动的气体运动一致。
• 银河系晕包含多相气体：中性（HI）、温热电离（10³.⁵–10⁵ K）和高温X射线发射（10⁶ K）成分，其中高温相的填充因子约为20%，远低于曾认为的90%。
• 星系喷泉由超新星驱动，形成盘与晕之间气体的循环流动，热气上升后冷却，回落为中性或温热气体。
• 星系重子贫乏，仅保留宇宙重子分数的20–30%，尤其在矮星系中，其值低于0.1 Ω_baryon。
• 缺失的重子可能存在于连接星系群的大尺度丝状结构中高温稀薄气体（10⁵–10⁷ K）中，仅能通过改进的X射线吸收光谱学探测。