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星系中恒星增长的半解析模型

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标题:The Growth of Galaxy Stellar Mass within Dark Matter Halos
作者:Idit Zehavi, Santiago Patiri, Zheng Zheng
论文索引:arXiv:1104.0389
编辑供稿:侯磊(中国科学技术大学)

背景介绍

本文讨论的内容是属于“宇宙大尺度结构形成与星系形成演化”这样一个领域。在此我强烈推荐一本这个领域的参考书:莫厚俊2010年的新书,Houjun Mo, Frank van den Bosch, Simon White, 2010, Galaxy Formation and Evolution, Cambridge University Press。书中理论和观测的内容都很翔实,包含了许多新近的研究成果,对这方面感兴趣的人应该可以从中获益良多。

首先介绍一下简单宇宙大尺度形成和星系形成演化的一些简单的物理图像。这一物理过程的初始条件就是早期宇宙密度场(包括暗物质和重子物质,本文中暗物质均特指非重子暗物质)中形成的原初扰动(primordial perturbation),这种原初扰动现在一般认为是暴涨形成的。由于Jeans不稳定性,暗物质会在自引力作用下坍缩,这就是密度涨落的增长。重子物质和光子退耦后,也会落入暗物质形成的势阱里。暗物质增长到一定程度可以形成暗物质晕(dark matter halo),而重子物质则形成星系这样的结构。较小的暗晕可以通过吸积和并合形成质量更大的暗晕,这就是所谓的等级成团(hierarchical clustering)模式,星系也随着其居住的暗晕的演化而发生演化。图1中描述了所谓“并合树”(merger tree)的一个例子,给出了一个暗晕的并合历史,其中树干代表最后生成的暗晕,“分支”代表不同的前代暗晕(progenitor),支干的粗细代表不同的质量。

图1. 暗物质的演化示意图

我们考虑这样一个问题:现在(z~0)的暗晕中的中心星系,其中的恒星成分是如何在这种等级成团模式中增长的?我们可以把恒星成分的来源分成四个部分:第一个部分是在更早的红移处(比如z~1)>已经出现在该星系的前代中心星系中的部分,可以通俗地比喻成是从祖上继承下来的部分;还有两个部分是在z~1到z~0之间分别从卫星星系和较小的前代中心星系中并合而来的,可以比喻成通过吞并其他家族财产而来的那部分;最后还有在z~1到z~0之间新形成的恒星,可以比喻成新近盈利得到的这部分。

本文就是通过半解析模型(semi-analytic modeling,SAM)来研究中心星系的恒星成分与其居住的暗晕质量的关系。所谓半解析模型,就是在已有的暗物质N体模拟的基础上,加进去一些暗晕与星系形成演化的解析模型来描述动力学摩擦、潮汐作用等物理过程,这些解析模型通常包含一些自由参数,这些参数可以通过与观测或模拟来得到限定。本文是在Millennium Simulation(很霸气的名字……)的基础上,分别利用MPA和Durham两种不同的半解析模型来进行研究。

半解析模型的一些结果:

1、如图2 所示, 恒星形成效率(SFE,在这里定义为恒星形成率和重子物质质量比值 SFR/Mb)与其居住暗晕的质量的关系:z~0时的 SFE 比 z~1 时更大,但峰值暗晕质量更小。这也就是所谓的downsizing现象,即大质量暗晕(从而意味着大质量星系)在高红移时形成恒星,而现在的大多数恒星形成发生在小质量暗晕(小质量星系)中。

图2. z~1和z~0的平均恒星质量之比随暗晕质量的函数关系

2、从图3. 可以看出, 平均恒星质量与其居住暗晕的质量的关系在z~0与z~1的结果形状类似。图3 中下面部分给出了z~1和z~0的平均恒星质量之比随暗晕质量的函数关系,可以看出该比率随暗晕质量增加大致有一个先增加再减小的趋势。

图3. 平均恒星质量与其居住暗晕的质量的关系

3、恒星成分的上述四种来源的比例随暗晕质量的关系:图4. 中A以下的部分代表z~1时前代中心星系中已有的恒星成分,A和B之间的部分代表来自较小的中心星系的成分,B和C之间的部分代表来自卫星星系的成分,C以上的部分代表来自新的恒星形成的部分。明显可以看出,小的暗晕中来自z~1以后的恒星形成的部分很多,而大的暗晕来自新近恒星形成的部分就很少。此结果同样体现了downsizing现象。

图4. 恒星成分的四种来源的比例随暗晕质量的关系

本文还把半解析模型的结果同之前的一个利用理论模型处理DEEP2和SDSS数据得到的结果(Zheng, Coil & Zehavi, 2007)进行了比较,详细结果在这里就不详细介绍了,有兴趣的读者可以阅读原文第四节的部分。

延伸阅读:

  • 莫厚俊《星系形成与演化》一书的简介
  • Millennium Simulation的wikipedia词条
  • Millennium Simulation的2005年Nature文章
  • Millennium Simulation II的文章
  • 一篇关于SAM的综述文章
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    讨论

    14 thoughts on “星系中恒星增长的半解析模型

    1. 大尺度结构和星系形成的研究什么区别呀?是不是大尺度结构只搞暗物质,星系形成需要加入重子物质?

      Posted by novae | 五月 16, 2011, 7:44 下午
      • 我觉得差不多可以这么讲,因为重子物质的比例很小,结构主要是由暗物质决定。暗物质大尺度结构的理论工作相对比较容易搞,在ΛCDM框架下基本上只考虑引力作用。但观测只能从星系下手,从而必须考虑重子物质。而加入重子物质之后问题就太多了。

        Posted by Hou, Lei | 五月 16, 2011, 8:02 下午
        • 有没有这方面的工作:就是跳出LCDM的框架,比如利用修改引力的框架(这样可以去掉暗物质,暗能量)?

          Posted by novae | 五月 16, 2011, 8:12 下午
          • 这个还是请教懂行的人来回答吧……

            Posted by Hou, Lei | 五月 16, 2011, 8:23 下午
          • LCDM 面临的挑战http://astronomy.lamost.org/bbs/viewthread.php?tid=163&extra=page%3D1
            ~~~~~~~~~~~~~~~~~~
            Peebles 署名的一 @纯探索性@ 关于结构形成文章
            结论是,此种长距离上的新作用,和观测不冲突。

            arXiv:0912.4177v2 [astro-ph.CO]
            Cosmology with Equivalence Principle Breaking in the Dark Sector

            A long-range force acting only between nonbaryonic particles would be associated with a large
            violation of the weak equivalence principle. We explore cosmological consequences of this idea,
            which we label ReBEL (daRk Breaking Equivalence principLe).

            Segregation of baryons and DM in galaxies and systems of galaxies is a strong
            prediction of ReBEL. ReBEL naturally correlates the baryon mass fraction in groups and clusters
            of galaxies with the system mass, in agreement with recent measurements.

            Posted by 快乐中微子 | 五月 16, 2011, 8:32 下午
      • 大尺度结构一般就是以星系为单元了,星系形成要考虑内部结构

        Posted by Hou, Lei | 五月 16, 2011, 8:11 下午
    2. I 用lcdm玩星系形成感觉像只用引力研究恒星演化.
      II Simon White 在其最近参撰写的新书Galaxy Formation and Evolution第13章Elliptical Galaxies 中,关于2种星系形成方式的叙述中,monolithic scenario 的最新文献是Martinelli et al. 1998, Hierarchical scenario 最新文献是Li et at 2008. 三种假设可能导致这个局面,1 monolithic scenario 彻底被淘汰,2 Simon White 对星系形成了解不够。 3 Simon White 存在偏见。 任何人就算不了解星系形成研究的现状,你细读此书也会排除前2个假设。

      III LCMD ? Local-Group tests of dark-matter Concordance Cosmology: Towards a new paradigm for structure formation :http://arxiv.org/abs/1006.1647

      Posted by 快乐中微子 | 五月 16, 2011, 6:19 下午
      • 另外图1 太老了。 那只能说是dark matter 的演化图,而不能是星系的演化图。 据我所知,就算是 最新的SAM 考虑lefeedback, 到现在为止也没解决 lumoinosity founction和mass funxcion, 更不用说单个星系的特征。。。

        Posted by 快乐中微子 | 五月 16, 2011, 6:23 下午
        • 恩,图1是比较老……不过也算是比较经典的图了,给出了merger tree的基本图像。至于图片说明上说是“星系演化的并合树”这应该是编辑错误。图片的说明是本站编辑加的,不是我写的时候加的……

          Posted by Hou, Lei | 五月 16, 2011, 7:21 下午
          • 对不起. 这个是我的错. 我对这个方向不是很熟悉, 编辑的时候想加个图的说明就写成”星系演化的并合树”了. 很抱歉. 已修改成 “暗物质的演化示意图”

            Posted by ZhiyuZhang | 五月 16, 2011, 7:29 下午
      • 其实我也觉得用ΛCDM模型搞星系有太多问题,搞搞大尺度结构就可以了,一考虑星系内重子物质的结构问题一大把。
        至于ΛCDM模型本身,一直以来都有质疑的声音,不过似乎也很难得出完全推翻ΛCDM模型的结论

        Posted by Hou, Lei | 五月 16, 2011, 7:28 下午
    3. good to know,
      doubt anyone would trust the result, good idea though.

      Posted by tsdisee | 五月 16, 2011, 1:11 下午
    4. To me apparently the most important part of the paper is the comparison between SAM models and their previous phenomenological paper, which is more closely related to actual observations. The figures here are *extremely* misleading if you intentionally avoid the comparison part, as SAM can be guaranteed to be wrong on this level, which is also why the author claimed in the abstract that the phenomenological approach should serve as a guideline for the SAM efforts while the SA models are merely *important*.

      Posted by Squirrel et al. | 五月 16, 2011, 12:14 下午
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