星系棒的形成.DOC

星系棒的形成 王菁（P 刘腾（P刘杨（PB） 摘 要 星系棒在盘星系中广泛存在，它的形成机制却仍是一个庞大而复杂的体系。我们调研了迄今为止棒形成研究的理论发展：基于早期用于解决旋涡星系的旋臂形成问题的密度波理论，一系列研究以N体模拟作为检验手段展开。1972年Kalnajs发现冷盘中的适量扰动激发星系棒的形成；从理论看，当pattern角速度小于内LR时扰动使得振动在内LR附近共振从而产生稳定的棒轨道。后续研究证实这些扰动可以是来自盘内部的物质随机运动的相互碰撞作用（Toomre1981）、晕的引力作用，也可以是星系间的潮汐相互作用（1987 MNRAS）。由于扰动产生棒的结论变得很自然，问题转化为为什么不是所有盘星系都有棒。这个问题很快被暗物质晕的作用解释。我们特别关注了SO星系有棒却没有旋臂盘这个特例。Gadotti de Souza(2002)脱离星系盘用非球对称晕物质势成功模拟解决，而Athanassoula认为是盘形成棒以后棒的强作用分解了盘，两种情境各有优劣。这至少说明星系盘不是棒形成的必要条件。而晕物质在棒形成中的作用也变得复杂。目前为止的模拟多采用单成分的恒星盘为基础，只有极少量研究考虑到气体盘和气体与恒星混合的盘，没有模拟讨论过各成分不同比例下可能对棒生成产生的影响。有研究发现气体盘模拟能成功获得LSB星系的棒形成，而纯恒星盘不能(Lucio Mayer James Wadsley 2003)，这说明盘成分对演化结果有影响。模拟发现气体由于其耗散性质的确对星系结构的演变有重要影响，将来的研究需要更顾及盘成分这一因素，可能需要采用更一般的气体和恒星并存的盘。调研过程中发现，现有的所有研究都是某一细致条件下的模拟，缺乏一个把各种可能共存并相互影响的条件综合起来的研究，在分类细致研究更完备以后可能需要考虑这一问题。棒形成理论和模拟对近年发现的双棒结构的容纳也有待具体操作证实。 由于星系动力学理论无法得到简单的解析解，数值模拟对星系结构形成的研究具有重要作用。我们对研究棒的形成的重要方法N体数值模拟作了调研。N体模拟表明棒的形成主要有两种方式：自发感应形成和相互作用形成。自发感应形成是OstrikerPeebles1973年研究冷轴对称星系的稳定性时发现的,此后研究不多，我们把主要精力放在相互作用棒的研究上。给出一个具体的实例，用N体模拟研究棒的形成对参数的关系。然后会给出相互作用形成理论的统计上的观测证据。 对棒形成研究的硬件制约因素主要在于计算机模拟精度和观测精度的影响。随着观测进步，推翻了一些以前的观测结论，这也会对棒形成理论带来一定影响。 关键词：星系，棒形成，N体模拟，扰动，晕物质 背景介绍： 棒旋星系在宇宙中广泛存在。由于观测精度的局限才在上世纪六七十年代才首次被发现。随着观测进步，不断有各种环境下不同形态的棒旋星系被发现。 通过一个46个星系的哈勃场样本，Abraham et al.(1999) 推断z~0.2-0.7范围内棒旋星系的比例为24％，但是一直剧降直到z~1.1。这个结论很快被发现是观测仪器WFPC2有限精度的产物，现在在ACS更高精度下一般认为至少到z～1棒旋星系的比例基本是恒定的。 最近几年又发现双棒旋星系的存在：在较大的主棒里头还有一个小的副棒（见图1）。它们目前被确认到z=0.04（Erwin 2004），并且30％的早型棒旋星系有一个副棒。更进一步的，在一个双棒旋星系NGC 2950里观测到主棒和副棒有动力学联系 （Corsini et al. 2003）。 图1. —— 左右两幅图分别是主棒和副棒的尺度图。可看到副棒比主棒小很多。 在双星系和星系团系统，以及在场星系中，棒旋星系在所有螺旋星系中的比例已经得到。场星系和团星系中的0.32+-0.09，和所有哈勃早型螺旋星系的0.28+-0.02是棒旋星系，而在双星系统中，却有0.50+-0.05是棒旋星系。对中型和晚型的星系，没有这种相关关系。这意味着对早型星系来说，临近的伴星系跟棒的形成有关。另外，早型星系（Sa-Sb）在所有Sa-Scd星系中的比例已知。在棒旋双星系中，早型部分占0.77+-0.05，而在任意环境的所有SA型星系中，早型星系占0.44+-0.02。可见双星系既趋向于是棒旋星系，又趋向于是早型星系。考虑到最近的N体模拟，我们假设星系相互作用产生很强的螺旋，因为它的扭矩，引发棒的形成和盘中显著的物质内流。对长期的碰撞，物质内流通过使星系内部区域密度变大，外部盘中减少大量气体物质并因此减少恒星形成，会将无棒的哈勃中型星系Sbc-Scd明显地变成有棒的早型星系SBa-SBb。 棒被发现后，研究它的形成与演化最常