[论文解读] The formation of disk galaxies in a LCDM universe

Oscar Agertz, Romain Teyssier+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 2

一句话总结

本研究在ΛCDM框架下采用自适应网格加密模拟，表明低恒星形成效率与中等超新星反馈可促成具有银河系类性质的延展、稳定盘星系的形成。关键成果是成功构建了具有平坦旋转曲线、B/D ≈ 1/4及真实角动量的盘星系，解决了长期存在的静止旋涡星系模拟难题。

ABSTRACT

We study the formation of disc galaxies in a fully cosmological framework using adaptive mesh refinement simulations. We perform an extensive parameter study of the main subgrid processes that control how gas is converted into stars and the coupled effect of supernovae feedback. We argue that previous attempts to form disc galaxies have been unsuccessful because of the universal adoption of strong feedback combined with high star formation efficiencies. Unless extreme amounts of energy are injected into the interstellar medium during supernovae events, these star formation parameters result in bulge dominated S0/Sa galaxies as star formation is too efficient at z~3. We show that a low efficiency of star-formation more closely models the subparsec physical processes, especially at high redshift. We highlight the successful formation of extended disc galaxies with scale lengths r_d=4-5 kpc, flat rotation curves and bulge to disc ratios of B/D~1/4. Not only do we resolve the formation of a Milky Way-like spiral galaxy, we also observe the secular evolution of the disc as it forms a pseudo-bulge. The disc properties agree well with observations and are compatible with the photometric and baryonic Tully-Fisher relations, the Kennicutt-Schmidt relation and the observed angular momentum content of spiral galaxies. We conclude that underlying small-scale star formation physics plays a larger role than previously considered in simulations of galaxy formation.

研究动机与目标

• 研究亚网格物理在宇宙学框架下形成延展盘星系中的作用。
• 解决以往模拟因反馈过强与恒星形成效率过高而导致无法形成宁静、盘主导星系的问题。
• 确定恒星形成与反馈的参数空间，以重现观测到的盘星系性质，如尺度长度、旋转曲线与球盘比。
• 评估小尺度恒星形成物理是否能解释观测旋涡星系的角动量与重子物质含量。

提出的方法

• 采用自适应网格加密（AMR）宇宙学模拟，以解析小尺度星际介质过程。
• 系统研究恒星形成效率与超新星反馈能量注入的参数空间。
• 使用基于气体密度与冷却时间的亚网格恒星形成模型，反馈通过超新星能量沉积建模。
• 追踪盘星系性质（包括尺度长度、旋转曲线与球盘比）随宇宙时的演化。
• 将模拟星系性质与观测关系（如Tully-Fisher关系、Kennicutt-Schmidt定律及角动量含量）进行比较。
• 通过监测形成盘中伪球状体的发展，评估其长期演化特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 何种恒星形成效率与超新星反馈组合可产生具有观测到的形态与运动学性质的稳定、延展盘星系？
• RQ2 为何以往的宇宙学模拟尽管包含反馈，仍无法形成盘主导星系？
• RQ3 高红移（z ~ 3）时的低恒星形成效率如何影响盘尺度长度与角动量的形成？
• RQ4 模拟盘星系性质在多大程度上符合光度与重子Tully-Fisher关系？
• RQ5 在包含真实亚网格物理的宇宙学模拟中，能否重现观测到的球盘比（B/D ≈ 1/4）与伪球状体形成？

主要发现

• 高红移（z ~ 3）时的低恒星形成效率可防止早期过度恒星形成，避免形成质量过大的球状体。
• 中等超新星反馈与低恒星形成效率相结合，可形成尺度长度为4–5 kpc、旋转曲线平坦的盘星系。
• 模拟星系的球盘比约为1/4，与S0/Sa型旋涡星系的观测结果一致。
• 盘星系表现出长期演化特征，随时间形成伪球状体，其形态与银河系相符。
• 模拟星系满足光度与重子Tully-Fisher关系，以及恒星形成速率的Kennicutt-Schmidt关系。
• 模拟盘星系的角动量含量与真实旋涡星系观测结果一致，表明其形成物理过程合理。