[论文解读] The survival of subhaloes in galaxies and galaxy clusters

E. van Kampen|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2000

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文研究了在冷暗物质宇宙学模拟中，亚星系晕为何在星系团中比在星系中更易存活，识别出数值分辨率效应是低分辨率模拟中人为过度并合的主要原因。研究证明，物理破坏过程——尤其是潮汐剥离和动力摩擦——在星系与星系团环境中存在显著差异，星系团晕由于相空间密度较低且动力学演化更缓慢，能更有效地保留亚星系晕。

ABSTRACT

This paper discusses physical and numerical disruption processes acting on subhaloes in galaxy haloes and in galaxy cluster haloes, and compare the effects of these processes on the subhalo abundance within both types of haloes. N-body simulations with a resolution high enough not to suffer from overmerging (subhalo disruption due to numerical processes) show a high abundance of subhaloes in both galaxies and in galaxy clusters. However, observations seem to show a high subhalo abundance in galaxy clusters only. Thus, it appears that too many subhaloes survive in simulated galaxy haloes. There are five main causes for this apparent galaxy subhalo problem. The most radical one is a change to a cosmology in which structure formation is not hierarchical below the galaxy halo mass scale. If this is unacceptable, four causes remain, of which the most important one appears to be that dynamical friction is not properly simulated yet, not even for the highest resolution simulations to date, resulting in an 'undermerging' problem. The other causes are (numerical) overmerging, differences in the timing of halo formation and merging in hierarchical structure formation, and significant differences is mass-to-light ratios. The net effect of these four causes is that galaxies have a relatively low abundance of subhaloes, i.e. dwarfs, while at the same time a large number of field dwarf galaxies can exist which are dark enough to be missed observationally.

研究动机与目标

• 区分N体模拟中亚星系晕破坏的数值与物理原因。
• 解决高模拟亚星系晕丰度与低观测矮星系计数之间的矛盾。
• 比较星系晕与星系团晕中破坏 timescales 的差异。
• 评估动力摩擦与潮汐剥离在亚星系晕存活中的作用。
• 评估模拟分辨率对亚星系晕过度并合与欠并合的影响。

提出的方法

• 使用多分辨率N体模拟，以区分数值与物理破坏效应。
• 通过不同粒子数下的亚星系晕存活率比较，隔离分辨率依赖的人为效应。
• 基于穿越时间、半质量半径与速度 dispersion 的定量破坏 timescales 估计。
• 引入术语“过度并合”（数值效应）与“欠并合”（未能模拟物理过程）以增强清晰度。
• 利用粒子基力计算分析模拟晕中的动力摩擦与潮汐加热。
• 考察分层结构形成的时间进程，以评估其对亚星系晕演化的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 高模拟亚星系晕丰度与低观测矮星系计数之间的不匹配由何原因造成？
• RQ2 如两体加热与软化等数值效应如何影响低分辨率模拟中亚星系晕的破坏？
• RQ3 为何在初始条件相似的情况下，亚星系晕在星系团中比在单个星系中存活得更好？
• RQ4 星系与星系团环境中，潮汐剥离与动力摩擦的破坏 timescales 有何差异？
• RQ5 模拟分辨率与粒子数在多大程度上影响亚星系晕存活预测的准确性？

主要发现

• 低分辨率模拟中，两体与潮汐加热等数值效应主导了亚星系晕的破坏，导致人为的过度并合。
• 由于相空间密度较低且动力学演化更缓慢，星系团中的亚星系晕比星系晕中的存活时间更长。
• 破坏 timescales 与亚星系晕中的粒子数强相关，粒子数较少的亚星系晕更易受数值噪声影响。
• 高分辨率模拟减少了过度并合，但仍预测的亚星系晕数量多于观测值，表明仍存在物理层面的不一致。
• 过度并合问题在粒子数极少的小型亚星系晕中最为严重，此时数值效应完全压倒物理过程。
• 动力摩擦与潮汐剥离等物理破坏机制不足以解释观测到的矮星系丰度偏低，暗示可能需要额外的抑制机制。