[论文解读] The formation of disk galaxies in computer simulations

Lucio Mayer, Fabio Governato+1 more|Zurich Open Repository and Archive (University of Zurich)|Jan 25, 2008

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 1被引用 9

一句话总结

本文综述了在ΛCDM框架下对盘状星系形成的宇宙学模拟，强调高空间和质量分辨率——结合超新星和黑洞的现实反馈——对于形成稳定、呈指数分布的盘状星系至关重要，可避免虚假的角动量损失或人为的星系核球形成。其主要贡献在于，现象学反馈模型可抵消星系中重子物质密度分布的尖锐核心化趋势，从而实现更真实的盘状星系形态。

ABSTRACT

The formation of disk galaxies is one of the most outstanding problems in modern astrophysics and cosmology. We review the progress made by numerical simulations carried out on large parallel supercomputers. Recent progress stems from a combination of increased resolution and improved treatment of the astrophysical processes modeled in the simulations, such as the phenomenological description of the interstellar medium and of the process of star formation. High mass and spatial resolution is a necessary condition in order to obtain large disks comparable with observed spiral galaxies avoiding spurious dissipation of angular momentum. A realistic model of the star formation history. gas-to-stars ratio and the morphology of the stellar and gaseous component is instead controlled by the phenomenological description of the non-gravitational energy budget in the galaxy. We show that simulations of gas collapse within cold dark matter halos including a phenomenological description of supernovae blast-waves allow to obtain stellar disks with nearly exponential surface density profiles as those observed in real disk galaxies, counteracting the tendency of gas collapsing in such halos to form cuspy baryonic profiles. However, the ab-initio formation of a realistic rotationally supported disk galaxy with a pure exponential disk in a fully cosmological simulation is still an open problem. We argue that the suppression of bulge formation is related to the physics of galaxy formation during the merger of the most massive protogalactic lumps at high redshift, where the reionization of the Universe likely plays a key role. A sufficiently high resolution during this early phase of galaxy formation is also crucial to avoid artificial angular momentum loss (Abridged).

研究动机与目标

• 在ΛCDM宇宙学模型背景下，理解旋转支持的盘状星系的形成机制。
• 识别形成大而稳定盘状星系（类似观测到的螺旋星系）的物理条件——特别是分辨率和反馈机制。
• 解决一个长期存在的难题：为何模拟星系常形成过于集中（尖锐核心）的盘状结构或人为形成的核球，与观测结果相悖。
• 评估早期并合事件、再电离过程以及反馈在抑制核球形成并促进无核球盘状星系形成中的作用。
• 评估卫星星系相互作用、绝热压缩过程以及冷流对盘状星系稳定性与形态的影响。

提出的方法

• 在并行超级计算机上，利用大规模宇宙学N体模拟与光滑粒子流体动力学（SPH）方法进行模拟。
• 采用高质量和高空间分辨率，以最小化早期盘状星系形成过程中的虚假角动量损失。
• 使用现象学方法模拟超新星反馈与能量注入，以调控恒星形成与气体冷却。
• 通过亚网格模型描述星际介质（ISM），其中包含恒星爆发产生的热反馈与动能反馈。
• 在有无反馈的冷暗物质晕中模拟气体坍缩，以隔离反馈对盘状星系结构的影响。
• 分析绝热压缩与冷流对晕势能演化、盘状星系大小与旋转曲线的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标准宇宙学模拟难以形成具有指数表面密度分布的大而稳定的盘状星系？
• RQ2 超新星反馈如何影响旋转支持盘状星系的形成，并防止重子物质密度分布出现尖锐核心化？
• RQ3 高分辨率模拟在抑制早期星系形成过程中的虚假角动量损失与人为核球形成方面发挥何种作用？
• RQ4 早期并合事件与再电离过程如何影响无核球盘状星系的形成？
• RQ5 在分层结构形成过程中，卫星星系的潮汐相互作用在多大程度上会加热盘状星系并破坏其形态？

主要发现

• 高质量和高空间分辨率是避免虚假角动量耗散、并形成与观测到的螺旋星系相当的大而稳定盘状星系的必要条件。
• 现象学超新星反馈可抵消冷暗物质晕中气体形成尖锐核心化重子分布的倾向，从而实现近乎指数的表面密度分布。
• 尽管反馈建模已取得进展，但在完全宇宙学模拟中自洽形成纯指数盘的问题仍属开放问题。
• 核球形成的抑制与高红移并合事件及宇宙再电离过程的物理机制密切相关，这些过程可能调节气体冷却与恒星形成。
• 绝热压缩模型预测的旋转曲线过快，无法匹配Tully-Fisher关系，表明其在三维宇宙学坍缩中的适用性存在局限。
• 卫星星系的潮汐相互作用可加热盘状星系，增加其标高，并引发棒状不稳定性，但由于分辨率与反馈模型的限制，盘状星系的长期稳定性仍不确定。