[论文解读] The Formation of Large Galactic Disks: Revival or Survival?

F. Hammer, Puech, M.+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2011

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 100被引用 9

一句话总结

本研究提出，富含气体的大型并合——即质量相近、富含气体的盘状星系之间的碰撞——是当今观测到的大规模星系盘重新形成的主要机制，从而调和了ΛCDM模型预测的高并合率与本地宇宙中大质量、薄盘星系普遍存在的矛盾。利用IMAGES巡天的深度多波段观测，作者发现约50%的z ≈ 0.6时的螺旋星系前身体表现出异常形态与运动学特征，与近期并合一致，且此类并合可自然解释扩展盘结构及M31的巨流等微弱晕结构的形成。

ABSTRACT

Using the deepest and the most complete set of observations of distant galaxies, we investigate how extended disks could have formed. Observations include spatially-resolved kinematics, detailed morphologies and photometry from UV to mid-IR. Six billion years ago, half of the present-day spiral progenitors had anomalous kinematics and morphologies, as well as relatively high gas fractions. We argue that gas-rich major mergers, i.e., fusions between gas-rich disk galaxies of similar mass, can be the likeliest driver for such strong peculiarities. This suggests a new channel of disk formation, e.g. many disks could be reformed after gas-rich mergers. This is found to be in perfect agreement with predictions from the state-of-the-art LCDM semi-empirical models: due to our sensitivity in detecting mergers at all phases, from pairs to relaxed post-mergers, we find a more accurate merger rate. The scenario can be finally confronted to properties of nearby galaxies, including M31 and galaxies showing ultra-faint, gigantic structures in their haloes.

研究动机与目标

• 调和ΛCDM模型预测的高并合率与本地宇宙中大质量、薄盘星系普遍存在的矛盾。
• 确定大质量星系盘的形成是否可由并合后重新形成而非持续的非定常演化来解释。
• 检验在z ≈ 0.4–0.8处遥远星系中观测到的运动学与形态异常是否与近期富含气体的大型并合一致。
• 评估邻近星系（包括M31及其晕结构）的性质是否可由此类并合驱动的盘重新形成机制解释。
• 利用完整、多波段的数据集，建立高红移前身体与其现今后裔之间的稳健观测关联。

提出的方法

• 利用HST/ACS、FLAMES/GIRAFFE、VLT/FORS2、Spitzer和GALEX对63个大质量星系（M⋆ > 1.5×10¹⁰ M⊙）在z ≈ 0.4–0.8范围开展深度多波段巡天（IMAGES）。
• 采用基于模板的半自动形态分类方法，使用本地Hubble序列模板并引入颜色信息。
• 利用FLAMES/GIRAFFE提供的空间分辨运动学（7 kpc分辨率）将速度场分类为旋转、扰动旋转或复杂运动学。
• 将形态异常与运动学异常相关联以识别受并合影响的系统，采用Neichel等（2008）提出的95%与86%的吻合率。
• 将高红移结果与本地类比星系（包括M31和具有微弱晕子结构的孤立螺旋星系）进行比较，以检验并合情景的一致性。
• 使用最先进的ΛCDM半经验模型验证观测到的并合率及盘重新形成情景。

实验结果

研究问题

• RQ1 本地宇宙中大质量、薄盘星系的形成是否可由并合后重新形成而非非定常演化来解释？
• RQ2 在高红移螺旋星系前身体（z ≈ 0.6）中观测到的形态与运动学异常在多大程度上表明其经历了近期富含气体的大型并合？
• RQ3 M31的巨流及其他微弱晕子结构是否可由一次3:1的富含气体并合解释，而非由小质量并合解释？
• RQ4 当考虑从双星系统到松弛后并合体的全部并合阶段时，z ≈ 0.4–0.8处观测到的并合率是否与ΛCDM预测一致？
• RQ5 具有晕环结构的邻近孤立螺旋星系（如NGC5907）的性质是否可由大质量并合情景解释，而非小质量并合？

主要发现

• 在z ≈ 0.6时，约50%的大质量螺旋星系前身体表现出异常运动学与形态，表明其处于并合过程中或刚从并合中脱离。
• 观测到的运动学与形态异常与高气体分数强烈相关，支持富含气体的大型并合是盘重新形成的主要驱动力。
• IMAGES巡天所导出的并合率（涵盖并合全过程）比以往估计更准确，且与ΛCDM预测更一致。
• 富含气体并合后盘重新形成的场景成功解释了M31中的巨流，该结构更符合约8.75±0.35 Gyr前发生的一次3:1富含气体并合，而非小质量并合模型。
• 相同的并合情景也可解释NGC5907等孤立螺旋星系中的微弱晕结构，其环状结构源于潮汐尾中返回的恒星，挑战了小质量并合的解释。
• 结果与近期AREPO类模拟一致，表明大型并合后角动量保留率更高，从而能够形成与观测相似的薄盘。