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星系喷泉效应导致的角动量重新分布

标题: Hierarchical formation of bulgeless galaxies II: Redistribution of angular momentum via galactic fountains
作者: C. B. Brook, G. Stinson, B. K. Gibson, R. Roskar, J. Wadsley, T. Quinn
索引: arXiv:1105.2562
编辑供稿: 秦雨静 (南开大学)

背景介绍

lambda-CDM模型较好地阐释了宇宙大尺度结构的形成,但在星系尺度仍然存在诸多难以解释的问题.对于盘星系而言,角动量疑难(angular momentum problem)就是其中较显著的一个问题.

盘星系的角动量源自宇宙极早期受到扰动的物质.若气体的角动量在坍缩到暗物质晕的过程中守恒,则盘星系得以形成.然而,这样的星系形成图景却遇到了麻烦:模拟显示星系并合过程会导致角动量显著损失,最终形成经典核球占主导的盘星系.并合时,气体损失角动量而沉集于星系中心,迅速冷却形成恒星并构成核球.但观测则表明宇宙中存在大量近乎无核球的纯盘星系,其中不乏大质量的盘星系.这些纯盘星系缺乏低角动量的重子物质,这与基于等级并合生长模型的模拟结论是相悖的.

此外,若假设形成星系的暗物质与重子物质具有相同的角动量分布,则模拟得到的暗物质晕与我们观测到的星系在角动量分布上有显著的差异.模拟得到的暗物质晕含有丰富的低角动量成分,而与之对应的大量低角动量的重子物质在当前宇宙学图景中应当形成盘星系的核球部分.这也与我们观测到大量的无核球的星系相悖.而更糟糕的是,有些核球或许是盘自身长期动力学演化的结果.星系的模拟与观测中角动量分布的显著差异,便是盘星系的角动量疑难.

在星系并合模拟中引入恒星形成及超新星反馈后,角动量疑难一定程度上得到了缓解.因此,如何准确地对模拟过程中恒星形成及反馈过程建模可能是解决角动量疑难的关键.若在lambda-CDM的理论框架下解决这个问题,则必须引入与之相关的机制使得星系的低角动量物质流失或者重新分布.作者认为,星系尺度的外流(galactic outflow)和喷泉效应(galactic fountain)是低角动量重子物质流失的原因.

观测表明,高红移星系及临近的星暴星系普遍存在外流现象.外流需要星系的引力势阱较浅且恒星形成作用活跃,故小质量的星系中外流占据主导作用.作者在系列论文的第一篇以模拟的形式证明,矮星系的外流倾向于低角动量组分,故外流会导致角动量分布的改变,既而形成纯的盘星系.但对于质量较大的星系,恒星形成伴随的反馈作用不足以使气体逃逸,故需要引入使得低角动量物质重新分布的新机制.

这篇文章中,作者利用模拟的方式对大质量盘星系中导致角动量分布改变的机制进行了研究.本篇是系列论文的第二篇,作者以标记和示踪的方式证明在质量较大的盘星系中,伴随着并合时恒星形成及反馈的喷泉效应(galactic fountains)可以显著地改变重子物质角动量分布,从而可能导致纯盘星系的形成.

概念解释

1.无核球星系/纯盘星系(bulgeless galaxies/pure-disk galaxies)
分离星系各成分经常用表面亮度拟合的方法.无核球星系或者纯盘星系指拟合中不能显著地分离出核球及棒成分的星系,即单独的Sersic参数就可以较好地拟合表面亮度曲线.这样的星系是普遍存在的.在动力学的意义上,核球是由盘星系中低角动量的重子物质组成,无核球表明星系中低角动量的重子物质较少.

2.伪核球(pseudo-bulge)
伪核球指某些盘星系中形态与核球类似的结构.伪核球和经典核球(classical bulge, 即经常所说的核球)有不同的起源.经典的核球是等级并合生长的结果,而伪核球则是盘星系长期动力学演化(secular evolution)的结果.两者仅在形态上类似,但形态,动力学和恒星形成活动均有所区别.通常而言,星系中的核球同时包含两种成分,当某成分占据主导地位的时候,才称之为经典的核球或者伪核球.

在此还有必要将伪核球与boxy-bulge相区别.棒旋星系因为观测角度的问题可能会导致棒之于观测者的视角像是星系的核球,但是这样的核球依据形态和动力学特征都可以与核球相区别.我们银河系就是典型的例子.

3.星系外流与星系喷泉(galactic outflows, galactic fountains)
当盘星系恒星形成过程较为活跃时,反馈过程可以加热气体并赋予其动能.被加热的气体从垂直于盘的方向涌出,则形成星系外流.这种现象也被称作星系风(galactic wind).当星系的质量较大时,外流的气体不足以逃逸出星系的势阱,只能在星系的热气体晕中冷却并回落到盘中,这样的过程被称作星系喷泉(galactic fountains).

两种效应的共同结果是,星系核心部分的低角动量成分损失,抑制经典核球的形成,并由此可能产生纯的盘星系.而不同之处在于,对于外流,星系中的重子物质损失,但对于喷泉,重子物质不会损失.故导致低质量星系重子物质占据总质量比重较小的结果.

模拟方法

作者在McMaster Unbiased Galaxy Simulations (MUGS)的基础上,利用SPH代码GASOLINE进行放大模拟(zoom simulation). 在代码中,不仅考虑了H,He和某些金属谱线的冷却过程,还加入了紫外背景辐射.

1.初始条件的设置:

为了单纯比较质量对演化的影响,作者在MUGS结果中选取其中一个星系进行比例缩放(resizing),以此形成并合历程相同,仅质量不同的星系.被选取的样本星系在形成过程中经历过若干次较大的并合事件(这对于大质量的星系是常见的).较大的并合集中在z = 2.7 ~ 1.7这段期间内,故这段期间被称作”并合时期”.并合时期是恒星形成活跃,也是经典理论预测核球生长的时期.

2.致密气体的处理:

SPH是基于拉格朗日流体的有限元方法,这类方法对密度的解析范围是有限的.为了防止气体密度过高导致模拟失真,作者利用两种机制对气体的坍缩进行了抑制:

  • i.气体被施加压力,以确保气体的质量解析度足以解析金斯质量,并不会在引力下瓦解.
  • ii.限制气体粒子之间的最小平滑因子(smooth length)为引力多体平滑因子的1/4.
  • 这样的限制似乎是不合理的,但是考虑到模拟星系尺度上的恒星形成过程是较难的,所以必要的简化和近似处理是可以接受的.

    3.恒星形成与反馈

    如何对恒星的形成和反馈过程建模是解决角动量疑难的关键.因为外流及喷泉等效应必然是伴随恒星的形成和反馈而出现的.

  • i.恒星形成过程:
    当局部的气体温度低于15,000K并且密度高于9.3cm-3时,恒星形成被触发.满足判据的气体被转化为恒星粒子,恒星形成率正比于满足判据的气体质量与其动力学时标之商,比例系数即实际形成恒星气体的比率.这个关系式也是各种模拟中对恒星形成的常用处理方式.
  • ii.反馈过程分为两种,第一为超新星反馈,其次为辐射反馈.
    每次超新星事例向周围释放10^51erg能量,因为恒星形成活跃的区域为气体密度较大的区域,这些能量中很多将会通过辐射冷却方式散发掉.为保证超新星爆发的能量有效地与周围的介质耦合,在超新星冲击波的范围内辐射冷却过程被暂停.
  • 恒星辐射反馈过程释放能量与介质耦合并不是非常有效,故模拟中仅将恒星辐射能量的10%以热能形式释放到周围介质中.与超新星反馈不同的是,在此辐射冷却过程并没有被暂停.气体冷却的特征时标与宇宙学模拟的步长相比较短,这样的热能注入是效率很低的,因此辐射反馈不会导致显著的动力学效应.

    4.低角动量成分的标记

    如何在模拟中追踪低角动量成分的演化也是至关重要的.首先,需要将这些低角动量的成分无偏地标记出来,其次还要准确地追踪这些低角动量成分之后的运动与演化,在此作者利用标记的方法来研究低角动量成分在并合时期以及之后的演化.

    作者将”并合时期”处于星系中心2kpc内所有较冷(T<30,000K)的气体都标记为bulge gas,并在后期追踪这些气体及其形成的恒星的分布.受到结果输出时间间隔的限制,这样的标记方式只能标识出低角动量成分的下限.但这样的处理方式是无偏的,足以代表并合时期星系核心的冷气体.

    结果分析

    1.样本星系的演化过程

    样本星系的动力学质量为19.4×10^10Ms.其演化过程中出现显著的棒,最终形成旋臂松散的棒旋星系.z = 1时样本星系的自转曲线大致是平的,这表明引入的各种机制对核球区域恒星过度生成产生有效的抑制.z = 0时形成的星系自转曲线并不平,作者认为这可能是长期动力学演化产生伪核球的过程效率过高.


    fig1

    Fig.1: 模拟不同阶段的自转曲线,不同的红移用颜色标记,而不同成分的贡献则用虚实线标识.z = 1时自转曲线较平,这表明引入的机制对星系中心恒星形成过程产生有效的抑制.z = 0时自转曲线大致为平的,但内侧有一个峰.作者认为这是模拟过程中形成伪核球所导致的.


    fig2

    Fig.2: 样本星系恒星形成历史.其中黑色线为整个星系的恒星形成历史,而蓝色线代表之前标记的核球气体的恒星形成历史.样本星系中20%的恒星形成自这些核球气体.

    2.角动量的重新分布


    fig3

    Fig.3: 角动量分布.红色曲线是前文标记的bulge gas的角动量分布,而蓝色曲线为这些气体在z = 0时所形成恒星的角动量分布.这两条曲线采用相同的标度,即曲线下的面积可以代表这些组分的质量.黑色的曲线是z = 0时 恒星+气体 的角动量分布,为便于比较黑色曲线经标度变换,最大值与红色曲线相同.图示的蓝色曲线轮廓与黑色曲线类似,而红色曲线则集中于低角动量组分.

    按照预期,并合时期中星系中心的冷气体将会形成大量恒星,核球因此而生长.但实际上,并合时期内被标注的核球气体仅有9%迅速形成恒星.这些恒星形成活动伴随的反馈过程将核球中其余的冷气体吹出,进入星系的热气体晕中.

    在这些被吹出的气体冷却之后回到盘中继续形成恒星的过程中,核球区域强烈的的外流也阻止气体再次落回星系的核心区域.到z = 0时,71%的核球气体已经形成恒星,而剩下的气体中14%已经被彻底吹出星系,75%被留在星系的热气体晕中,11%已经冷却并继续维持盘中的恒星形成过程.


    fig4

    Fig.4: 核球气体中形成恒星的部分随时间演化过程.顶部是核球气体粒子温度取对数的分布,中间是核球气体粒子距离星系核心最远距离,下图是核球气体形成恒星的角动量的分布.三张图都是对红移(恒星年龄)绘制的,不同年龄(红移)处颜色标示气体粒子依各参量统计分布,其中五角星标注的是各参量的平均值. 并合时期中被反馈作用吹出的核球气体从热气体晕及之后吸积的气体中获得角动量,并冷却回落形成恒星.此过程中,核球气体(及其形成的恒星)的角动量分布被显著地改变.低角动量的成分显著地损失,因而阻止经典核球的形成.

    总结讨论

    作者以模拟的方法研究了反馈过程导致的星系喷泉对低角动量物质分布的影响.模拟表明,星系并合时期沉集到中心区域的气体会在反馈的作用下被吹出核球区域.这些被吹出的气体进入热气体晕中之后可以获得角动量,并部分冷却并沉降到盘中.这样的过程可以导致这些气体最终形成恒星的角动量分布于之前在核球之中时候的分布有显著的区别,即损失相当比重的低角动量物质,经典核球的形成因此被阻止,并最终形成无核球的大质量盘星系.

  • 1.外流与喷泉能够显著地改变星系角动量分布,这两种效应是并存的.对于质量较小的星系,外流效应占据主导;而只有在大质量盘星系中,喷泉才能占据主导.对于这两种效应是否有明显的质量界限,目前的研究还不足以阐明.
  • 2.模拟中未考虑其他反馈能源的影响,如星系核心的黑洞或者星团.核球初始质量函数(IMF)可能是top-heavy的,这也会加剧反馈作用.因此本文的模拟仅提供了下限,而实际的反馈效应或许更为显著.
  • 3.被反馈吹出的气体从热气体晕以及星系吸积的气体中获得角动量.角动量如何在这些不同来源,不同状态的气体之间转移,仍然需要理论分析和观测限制.
  • 延伸阅读

    相关文献:

    Hierarchical formation of bulgeless galaxies:Why outflows have low angular momentum. C. B. Brook et al.
    arxiv:1010.1004
    系列论文的第一篇,模拟矮星系中外流对角动量分布的改变.

    相关综述:

    Secular Evolution and Formation of Pseudobulges in Disk Galaxies, J. Kormendy, Robert C. Kennicutt, ARA&A 2004
    关于盘星系长期动力学演化与伪核球形成的必读文章.

    Galaxy Disks, P.C. van der Kruit, K.C. Freeman, ARA&A 2011
    arXiv:1101.1771
    关于盘星系较近的综述

    通俗读物:

    维基百科对核球的介绍:

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    讨论

    One thought on “星系喷泉效应导致的角动量重新分布

    1. 我前一阵子看到几篇文章,他们用星系之间的潮汐力矩来解释星系角动量的来源。

      Posted by yishuxu (@yishuxu) | 十一月 7, 2011, 1:32 下午

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