[论文解读] The Origin of the Mass-Radius Relation of Early-Type Galaxies

C. Chiosi, E. Merlin+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2012

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文将早期星系的质量-半径关系（MRR）解释为两种互补机制的结果：设定单个星系结构的局域物理过程，以及塑造质量-半径平面整体分布的宇宙学统计原理。通过流体动力学模拟和晕质量函数建模，该研究再现了观测到的MRR斜率（大质量星系约为0.54，矮星系约为0.3）及边界结构，表明MRR上边界源于典型暗物质晕的坍缩，而下边界则由每个红移下典型坍缩晕的质量决定。

ABSTRACT

Early-type galaxies obey a narrow relation traced by their stellar content between the mass and size (Mass- Radius relation). The wealth of recently acquired observational data essentially confirms the classical relations found by Burstein, Bender, Faber, and Nolthenius, i.e. log(R_1/2) \propto log(Ms)\simeq 0.54 for high mass galaxies and log(R_1/2) \propto log(Ms) \simeq 0.3 for dwarf systems (shallower slope), where R_1/2 and Ms are the half-light radius and total mass in stars, respectively. Why do galaxies follow these characteristic trends? What can they tell us about the process of galaxy formation? We investigate the mechanisms which concur to shape the Mass-Radius relation, in order to cast light on the physical origin of its slope, its tightness, and its zero point. We perform a theoretical analysis, and couple it with the results of numerical hydrodynamical (NB-TSPH) simulations of galaxy formation, and with a simulation of the Mass-Radius plane itself. We propose a novel interpretation of the Mass-Radius relation, which we claim to be the result of two complementary mechanisms: on one hand, the result of local physical processes, which fixes the ratio between masses and radii of individual objects; on the other hand, the action of cosmological global, statistical principles, which shape the distribution of objects in the plane. We reproduce the Mass-Radius relation with a simple numerical technique based on this view.

研究动机与目标

• 解释在早期星系（ETGs）中观测到的紧密质量-半径关系（MRR）的起源，特别是其斜率、零点和弥散。
• 确定MRR是由局域物理过程、全局宇宙学统计原理，还是两者共同作用所致。
• 将观测到的MRR与Λ-CDM宇宙学模型相协调，尤其针对高红移处存在大质量ETGs的现象。
• 研究暗物质晕质量函数与无耗散坍缩在塑造MRR上下边界中的作用。
• 评估并合与重子物理对模拟MRR的影响，及其与观测的一致性。

提出的方法

• 执行非边界热SPH（NB-TSPH）流体动力学模拟，以模拟暗物质晕内重子组分的演化过程。
• 利用晕质量函数 $ n_+(M_{\text{DM}}, z) $ 对不同红移下暗物质晕的统计分布进行建模，并推导出典型坍缩晕的质量尺度（CGS）。
• 通过结合典型晕质量（CGS）与Gott & Rees（1975）及Faber（1984）提出的无耗散球对称坍缩模型，构建理论MRR平面。
• 将模拟得到的MRR与观测数据进行比较，特别关注观测到的MRR条带的上下边界。
• 分析重子过程（如冷却、加热、星系风）在低质量区域对MRR斜率的影响，该区域斜率下降至约0.2。
• 通过排除质量高于 $ 10^{14}-10^{15}M_\bigodot $ 的晕（这些晕通常宿主星系群或星系团而非单个大质量星系），校正一对其一晕-星系对应关系的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些物理机制决定了早期星系中观测到的质量-半径关系的斜率与紧密性？
• RQ2 宇宙学统计原理——特别是暗物质晕质量分布——如何约束MRR的边界？
• RQ3 为何大质量ETGs（$ \sim 0.54 $）与矮星系（$ \sim 0.3 $）的MRR斜率存在差异？重子过程在这一差异中扮演何种角色？
• RQ4 星系并合在多大程度上会破坏MRR？该模型如何调和观测到的MRR与低并合率之间的矛盾？
• RQ5 MRR的上下边界是否可由每个红移下典型暗物质晕的坍缩解释，如球对称坍缩模型所预测？

主要发现

• 观测到的MRR上边界与宇宙学增长尺度（CGS）高度一致，CGS追踪了每个红移下典型坍缩暗物质晕的质量，其斜率与无耗散球对称坍缩模型的理论预测相符。
• 大质量星系的MRR斜率（$ \log R_{1/2} \propto \log M_s^{0.54} $）与球对称坍缩模型的理论预测极为接近，表明MRR上包络具有根本性的宇宙学起源。
• 在低质量星系中，由于冷却、加热和星系风等耗散性重子过程的重要性逐渐增强，MRR斜率下降至约0.2，与观测结果一致。
• MRR条带的下边界由每个红移下典型坍缩晕的质量决定，该边界以下区域几乎不存在星系，仅有极少数致密星系例外。
• 基于晕数密度构建的模拟MRR平面与观测到的MRR高度一致，包括观测条带的位置与形态。
• 模拟中MRR的高质质量端存在过量星系，原因在于包含了宿主星系群或星系团的高质晕；通过校正一对其一晕-星系对应关系，模拟与观测的一致性显著提升。