Kaviraj2025MergersGalaxies
Brief
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- merger 在模拟/观测中识别的方法分别是通过 merger tree 和 tidal bridge/tidal tail/stream/shell 等观测特征
- merger 特征一般都比较低面亮度，需要一定的成像深度
- 观测中还可以通过形态学参数进行筛选
- merger rate 定义为 merger fraction 除以 merger timescale，一些 common sense 是
- major merger fraction 随红移变化的幂律指数在 2-4 之间
- 当前的 merger fraction 低于 10%
- merger 主要的作用是在宇宙尺度上改变星系的形态（从 LTG 到 ETG），原理是引力势变化导致恒星失去轨道角动量
- major、dry (gas poor)、角动量逆向的 merger 会更有效地消除角动量
- 星系 population 作为整体的形态转变有 1/3 来自 minor merger，在低红移下这一比例更高
- merger 使得气体失去角动量坠入中心，进而 boost SF/AGN activity
- 后者在观测上不太明显
- SF boost 在高红移不太明显，因为高红移的气体本身就比较容易坠入中心
Intro
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- 基本的结构形成模型是自下而上的，比较小的 DM halo 先形成（自原初密度扰动），然后逐渐合并形成较大的 halo
- 重子物质陷入 halo 的引力势阱中冷却凝聚形成星系，而盘状结构的形成是因为物质本身的角动量守恒
- 星系的演化主要由对 CGM 的吸积以及和其他星系的相互作用（包括 merger）两类过程驱动
- merger 对星系的作用主要是
- 增加恒星质量：一方面其他星系的已形成的恒星会进入星系，另一方面并合会导致星系 SF 增强
- 促进黑洞增长：merger 可以促进气体向星系中心区域的输送和黑洞的吸积
- merger 过程中剧烈的引力扰动会使得恒星轨道更加混乱和随机，进而抹除原有的有序结构
- major merger 一般定义为质量比大于 1/4 的并合，通常会造成更加显著的影响
- minor merger 的频率高于 major merger，所以累积效应可能和 major merger 相当
Identification
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- simulation 中可以借助粒子的归属变化将不同 snapshot 中的 DM halo/galaxy 关联起来，从而建立可视化的 merger tree
- 观测中一般只能看到最近一次 merger 产生的特征，主要的识别方法包括
- 寻找距离比较靠近的星系 pair：如果星系当前的位置比较靠近，它们就有可能在未来不久发生 merger
- 寻找 merger 特征，包括并合前的 tidal bridge 以及并合之后的 tidal tail、stream、shell 等特征
- tidal tail 形成于大星系外围物质的抛射
- stream 是小星系被瓦解之后恒星成分被引力拉伸形成的细长结构
- shell 是小星系的瓦解组分在引力势阱中某一次振荡过程中在远心点的堆叠，一般对应于质量比较大、相撞的夹角比较小的 merger
- tidal 相关的特征对成像深度有比较高的要求
- fig3 对比了 SDSS 和 SDSS Stripe82
- fig4 更深的 MATLAS 图像
- 形态学参数也可以用于识别
- asymmetry 通过图像旋转 180° 之后和原图像相减计算
- clumpiness 通过图像减去平滑处理后的自身计算，衡量空间高频特征的显著程度
- Gini 系数描述了光集中分布的程度
- M20 指的是 20% flux 对应的二阶矩
- 通过参数的组合（比如 $A>0.35,\ A>S$）可以进行 major/minor merger 的筛选
Incidence
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- merger fraction 定义为正在并合的星系数目和总星系数目之比
- fraction 除以并合 timescale 即为 merger rate，直观理解是「每隔一段时间 100% 星系会平均各发生一次并合」
- 对于大质量星系来说 major merger rate 随着红移增加而增加（或者说有更大数目比例的星系处于并合中）
- 观测的结论是：对红移的幂律指数大概是 2-4，当前的 merger rate 的典型值小于 10%
- 大质量星系在红移 3-0 中大致会经历一次 major merger
- fig5 merger fraction 随着红移的变化
- 一般 minor merger fraction 没有明显的红移依赖
- 观测和 simulation 对于相对高红移的低质量星系的 merger rate 存在不一致，可能因为 simulation 中的重子物理拟合不佳、观测中的红移误差/cosmic variance
- 另外，simulation 的体积一般小于观测的巡天体积
Impact
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- 高红移宇宙中的 galaxy population 主要是 late-type disk galaxy，而低红移的星系（尤其是大质量）更多的是 ETG，这说明了 merger 在宇宙时间中的形态转变的作用
- Toomre 在 1970s 的引力模拟证明质量相当的盘星系并合的结果非常类似椭圆星系
- 形态转变的具体原理是系统引力势变化的时标短于恒星的轨道周期，导致恒星失去轨道角动量（称作 violent relaxation）
- fig6 simulation 中的一次 merger 过程
- 观测证明近邻宇宙中绝大部分的 massive ETG 都存在 post merger 特征，其他证据包括
- ETG 中的 red sequence galaxy 密度会随着时间增大
- 星系密度更高的环境中（自然 merger 也更频繁）的 ETG 比例更高
- IFS 支持下的动力学分析表明部分 ETG 是具有旋转的 fast rotator（虽然没有 spiral/arm 结构），并且 fast rotator 的比例在近邻宇宙中极高
- zoom-in simulation 表明富含气体的并合或者 minor merger 会形成 fast rotator，而倾向于形成 slow rotator 的过程包括 dry merger、多次 merger 以及并合星系的角动量恰好反向
- 区别在于星系的角动量是否被有效地消耗
- gas-rich merger 中，虽然恒星角动量消失，但是气体可以重新形成旋转盘
- major merger 本身不足以解释整个宇宙的形态转变，1/10-1/4 的 minor merger 贡献了 1/3（用 $V/\sigma$ 量化），并且在 z=1 之后是主要的形态转变机制（结论来自 Martin 2021）
- merger 可以促进 SF/AGN 吸积，原理是气体失去角动量之后会更倾向于落入中心
- 气体的落入会导致星系中心区域气体密度增大、触发 star burst
- fig7 处于 merging 中的星系（彩色点）的 SFMS 位于整体 population 的上方
- fig8 SFR boost 的程度和星系间距负相关
- 这种增强在高红移不太显著，因为高红移盘星系气体含量较高，处于引力不稳定状态，不缺乏使气体流向中心的驱动力
- 同样的机制可以增强 AGN 的吸积（fig8 right panel OIII 作为 AGN 活动强度的示踪）
- 但是观测表明这种效应不是特别明显
- AGN/BH 的增长和恒星质量增长具有伴随关系
- 宇宙中大部分恒星是在高红移形成的，所以 merger 导致 star burst 并不是主要的恒星质量累积通道
- 量化的比例大约是 30%，其余部分由气体的平滑吸积贡献（fig9）
- 类似地，AGN 质量增长大致有 35% 来自 merger，而其余部分来自平静态下的吸积（fig10）
Thoughts
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- 从 fig5 看来这个幂律没有 sharp 到 2-4 的程度
- merger fraction 的定义依赖于 merger 过程的明确的开始和结束？
- 见到 ETG 的缩写的频率比 LTG 高很多