[论文解读] The Tully-Fisher Zero Point Problem

Aaron A. Dutton, Frank C. van den Bosch+1 more|ArXiv.org|Jan 9, 2008

Guidance and Control Systems参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文解决了ΛCDM盘星系模型中的Tully-Fisher零点问题，即模拟星系的旋转速度过快而与其光度不匹配。研究提出，通常在模型中假设的晕收缩必须通过反馈和重子物质与暗物质之间的角动量交换而反转，从而在不依赖非物理的晕浓度或低恒星质量-光度比的情况下，实现与观测一致的旋转速度。

ABSTRACT

A long standing problem for hierarchical disk galaxy formation models has been the simultaneous matching of the zero point of the Tully-Fisher relation and the galaxy luminosity function (LF). We illustrate this problem for a typical disk galaxy and discuss three solutions: low stellar mass-to-light ratios, low initial dark halo concentrations, and no halo contraction. We speculate that halo contraction may be reversed through a combination of mass ejection through feedback and angular momentum exchange brought about by dynamical friction between baryons and dark matter during the disk formation process.

研究动机与目标

• 解决ΛCDM模型中长期存在的问题：模拟盘星系的旋转速度过快，与观测到的光度不匹配。
• 探究标准模型为何在盘星系形成过程中假设晕收缩，导致旋转速度被过度预测。
• 评估反馈和重子物质与暗物质之间的角动量交换是否能够反转晕收缩，并使模拟结果与观测一致。
• 检验其他替代方案（低M*/L、低晕浓度或无收缩）是否能同时满足Tully-Fisher关系和星系光度函数。

提出的方法

• 构建理想化的指数盘模型，嵌入NFW暗物质晕中，固定V2.2 = 200 km s⁻¹以匹配观测到的标度关系。
• 使用WMAP第三年宇宙学参数（σ₈ = 0.78，Ω₀ = 0.268，Λ = 0.732，Ωb = 0.045，h = 0.70）确定晕的virial质量和浓度。
• 比较有无晕收缩情况下的旋转曲线，评估V2.2/V200比值及其与观测的一致性。
• 评估三种解决方案：降低恒星M*/L、低初始晕浓度、无晕收缩。
• 分析通过反馈（质量喷射）和动力摩擦（角动量交换）反转晕收缩的物理解释性。
• 评估在盘星系形成或棒演化过程中角动量交换是否能驱动净晕膨胀，而不会过度集中重子物质。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标准ΛCDM模型在盘星系中过度预测旋转速度，相对于观测到的Tully-Fisher关系零点？
• RQ2 反馈和重子物质与暗物质之间的角动量交换是否能够反转盘星系形成过程中晕收缩的影响？
• RQ3 在不依赖非物理的晕浓度或低M*/L比值的前提下，能否在模拟中实现观测到的V2.2/V200 ≈ 1.1比值？
• RQ4 星系光度函数和大小-光度关系对Tully-Fisher零点问题的可行解决方案施加了哪些约束？
• RQ5 质量喷射与动力摩擦的结合是否能导致净晕膨胀，从而稳定旋转曲线，同时不违反角动量或质量预算约束？

主要发现

• 包含晕收缩的标准模型预测V2.2/V200 ≈ 1.8，显著高于观测值~1.1。
• 将恒星质量-光度比降低0.2 dex不足以解决差异，且缺乏观测支持。
• 通过低初始晕浓度实现V2.2/V200 ≈ 1.1需要c ≈ 3，这与WMAP第三年宇宙学约束不一致。
• 关闭晕收缩可得到一致的模型，V2.2/V200 ≈ 1.1，晕质量合理，自旋参数也具有物理解释性。
• 通过反馈和动力摩擦实现的角动量交换可反转晕收缩，前提是重子物质损失足够角动量且质量被喷射。
• 若反馈将低角动量物质喷射出去，且角动量转移使晕膨胀，从而抵消收缩，则晕收缩的反转在物理上是可行的。