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盘状星系形成和演化的半解析研究

罗智坚  
【摘要】:在目前标准的星系形成理论中,盘状星系被认为是由暗晕中的重子物质冷却 并坍缩而成。在这一演化图像中,暗晕的质量吸积历史和结构属性,以及重子物 质的角动量及其分布起着关键的作用,直接决定了盘状星系的结构。本文利用近 来关于暗晕的质量吸积历史和结构属性演化的高分辨率 N 体模拟的结果,并采 用 Bullock 等人利用高精度 N 体模拟所得到的ΛCDM宇宙中单个暗晕的单位质 量角动量(Specialangularmomentum)分布,初步构建了一个类银河系的盘状星 系形成与演化的具体模型,并在模型中加入了金属丰度的化学演化,得到了大量 与目前盘状星系观测性质相符合的结论。与以往的研究不同的是,本文综合考虑 了包括暗晕的演化、暗晕中重子物质的内落、恒星形成、超新星爆发、质量外流、 星系喷泉以及盘状星系核球的形成等因素。结果表明:1)模型星系的自转速度 曲线在星系的中央区域快速上升,而在外部区域基本保持为一常数。演化到目前 时刻,在太阳位置附近,模型所得到的自转速度大致为210kms-1;2)模型预测 的星系盘及核球的质量随时间的增加而增大,且到目前为止,盘的质量大致为 5 ~ 6×1010 M ,核球的质量大致为1×1010 M ;3)模型星系中,气体的内落率 ⊙ ⊙ 以及恒星形成率随着时间的增长而逐渐降低,在模型星系的形成初期,恒星形成 率~10M yr?1,到目前时刻(T =11Gyr),模型星系的总恒星形成率与气体内落 ⊙ 率大致相等,约为3M yr?1;4)模型星系中盘的形成是由里而外的(inside-out), ⊙ 且恒星的面密度分布在任何时刻都是一个非常好的指数轮廓。在目前时刻,恒星 指数盘的标度半径rd约为3~4kpc,恒星盘的截止半径约为5rd,而气体面密度 分布轮廓则在约15kpc范围内基本上为一常数;5)无论是气体还是恒星,模型 星系的盘上都存在着金属度的梯度以及金属度梯度的随时间演化,且模型能很好 的解决G矮星问题。所有以上模型预测的主要结果与银河系的观测符合的很好。 尽管标准的星系形成理论能够成功地解释盘状星系的大量观测性质,然而, 在此框架下建立的盘状星系形成和演化的各种解析、半解析模型及数值模拟中, 出现了一系列与角动量有关的问题。其中包括角动量灾变(angular momentum catastrophe)及角动量分布不匹配(mismatch of angular-momentum profile)等。 它们对星系形成的标准图像提出了严峻的挑战。本文根据Bullock等人利用高精 III WP=4 摘要 度N体模拟得到的ΛCDM宇宙中暗晕的角动量分布的两种形式:球对称形式和 柱对称形式,并考虑盘状星系核球的形成,而忽略恒星形成的影响,建立了一个 盘状星系形成的简单模型。并以此为基础研究了在暗晕中形成的盘状星系的面密 度分布、自转速度曲线及角动量分布。结果发现:无论是否计及盘的棒不稳定性 的影响,所形成的星系盘的面密度分布在盘的外部区域都类似于指数分布,与观 测相符;而在盘的中心区域,面密度分布明显偏离指数分布,与观测并不符合; 模型星系的自转速度曲线则能较好地与观测符合。研究的结果还表明,暗晕柱对 称形式的角动量分布要比球对称形式的角动量分布更容易导致盘棒不稳定性的 出现,而形成较大质量的核球。此外,本文还将模型预测的结果与银河系的观测 结果相比较,发现模型预测了更多的低角动量的重子物质,其质量与总重子物质 质量的相比要明显比观测大得多。重现了标准星系形成理论中的角动量分布不匹 配的问题。近年来,为解决星系形成理论中与角动量有关的各类问题,人们做大 量的研究,引入并建立了各种新的机制和新的模型。本文将利用他人最近相关的 研究成果,讨论解决此类问题的各种方法和途径,并利用盘状星系形成的预加热 模型,提出自己的观点。 星系物质化学组成的研究不仅对于理解有关星系形成和演化的各种物理过 程具有重要意义,而且还可以对星系形成和演化的各种理论模型提供重要的约 束。随着观测技术及理论工作水平的不断提高,利用星系的大量观测资料来系统 地研究星系化学组成与星系宏观性质之间的关系成为可能。星系金属丰度与光度 之间的强相关性以及晚型星系金属丰度与自转速度的关系即为其中最有意义的 内容之一。本文还全面回顾了星系金属丰度与星系宏观观测性质之间关系的研究 历史,重点评述了晚型星系金属丰度与自转速度关系的最新研究进展,并详细讨 论了目前对此类关系的物理解释及其对星系形成和演化模型的影响。 IV


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