[论文解读] The Modelling of Feedback Processes in Cosmological Simulations of Disk Galaxy Formation

Franziska Piontek, Matthias Steinmetz|ArXiv.org|Sep 23, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文研究了在银河系类暗物质晕中，宇宙学模拟中盘星系形成过程的反馈机制。通过测试多种反馈能量分布方法，并结合紫外背景、动能反馈和金属依赖性冷却等物理过程，作者发现只有多种效应的综合作用才能减少星系核球的形成，但恒星质量分数仍然过高——表明盘星系的形成需要多种小尺度物理效应的协同作用，而非单一主导机制。

ABSTRACT

We present a systematic study of stellar feedback processes in simulations of disk galaxy formation. Using a dark matter halo with properties similar to the ones for the Milky Way's stellar halo, we perform a comparison of different methods of distributing energy related to feedback processes to the surrounding gas. A most promising standard model is applied to halos spanning a range of masses in order to compare the results to disk galaxy scaling relations. With few exceptions we find little or no angular momentum deficiency for our galaxies and a good agreement with the angular momentum-size relation. Our galaxies are in good agreement with the baryonic Tully-Fisher relation and the slope of the photometric Tully-Fisher relation is reproduced. We find a zero-point offset of 0.7 to 1 magnitudes, depending on the employed IMF. We also study our standard feedback model in combination with additional physical processes like a UV background, kinetic feedback, a delayed energy deposition as expected for type Ia supernovae, mass return and metal-dependent cooling. Only a combination of effects yields a real improvement of the resulting galaxy by reducing the bulge, while including metal-dependent cooling increases the bulge again. We find that in general the stellar mass fraction of our galaxies is too high. In an ad-hoc experiment we show that an removal of the bulge could reconcile this. However, the fit of the Tully-Fisher relation can only be improved by delaying the star formation, but not suppressing it completely. Our models do not seem to be efficient enough to achieve either effect. We conclude that disk formation is a complex, highly interconnected problem and we expect a solution to come from a combination of small effects.

研究动机与目标

• 理解在宇宙学模拟中形成类银河系盘星系所必需且充分的反馈过程。
• 研究不同反馈能量分布方法对模拟星系角动量、形态和关系关系的影响。
• 测试是否将多种物理过程（如紫外背景、动能反馈、延迟超新星、金属冷却）结合能改善与观测到的盘星系性质的一致性。
• 评估星系晕并合历史和暗物质集中度在盘星系形成与稳定性中的作用。
• 确定模拟星系为何常无法匹配观测到的Tully-Fisher关系和恒星质量-晕质量关系，并探讨如何修正这些偏差。

提出的方法

• 以高自旋、低并合历史的银河系类暗物质晕为基准，模拟盘星系的形成。
• 系统比较不同反馈能量沉积方案（如瞬时与延迟、爆轰波与热能）对周围气体的影响。
• 在一系列质量范围和并合历史各异的晕中应用校准后的“标准模型”反馈方案。
• 引入额外的物理过程：紫外背景、动能反馈、Ia型超新星的延迟能量释放、质量返还以及金属依赖性冷却。
• 使用GADGET2模拟，结合辐射冷却，并自洽地追踪恒星质量、角动量和光度，以评估星系的尺度关系。
• 进行临时实验，测试延迟恒星形成或移除核球对Tully-Fisher关系和恒星质量-晕质量关系的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪种反馈能量分布方法最能保持角动量并生成具有真实尺度关系的盘状主导星系？
• RQ2 多种物理过程（如紫外背景、金属依赖性冷却、动能反馈）的组合如何影响核球形成与盘面稳定性？
• RQ3 为何模拟星系表现出过高的恒星质量分数，且与Tully-Fisher关系和恒星质量-晕质量关系的匹配度较差？
• RQ4 延迟恒星形成或移除核球是否能令模拟星系与观测到的尺度关系一致？
• RQ5 晕的属性（如集中度、并合历史）在宇宙学模拟中对盘星系形成成功的影响程度如何？

主要发现

• 标准反馈模型产生的星系角动量亏损极小，且与角动量-大小关系的符合度良好。
• 模拟星系再现了光度Tully-Fisher关系的斜率，但零点存在0.7至1个星等的偏移，具体取决于初始质量函数（IMF）。
• 只有结合动能反馈、紫外背景和延迟Ia型超新星能量释放等多种物理效应，才能减少核球形成；而金属依赖性冷却反而会加剧核球形成。
• 所有模型中恒星质量分数仍过高；单纯移除核球虽能改善Tully-Fisher关系，但无法改善恒星质量-晕质量关系。
• 延迟恒星形成可改善Tully-Fisher关系的拟合，但完全抑制恒星形成则无效，表明反馈效率不足。
• 结果表明，在ΛCDM框架下实现真实盘星系的形成，需要多种小尺度物理效应的协同作用，而非单一主导机制。