潮汐矮星系和失踪的重子

摘要

潮汐矮星系是在大质量螺旋星系的相互作用、碰撞或合并过程中形成的。它们在质量和大小上与“正常”矮星系相似，并成为围绕其巨大前身运行的矮卫星。尽管如此，它们还是保留了一些来自起源的特征，使它们成为宇宙学研究的有趣目标。特别是，它们应该不受球状晕的暗物质的影响。平坦的旋转曲线和高的动力质量可能表明存在一个看不见的分量，并限制“失踪重子”的性质，已知存在，但不能直接观测到。宇宙中矮星系的数量是另一个宇宙学问题，对于这个问题，确定潮汐矮星系是否经常在高红移时形成是很重要的，当合并率很高时，它们中的许多存活到今天。摘要“暗物质”是指nonbaryonic事,大多位于大黑晕,也就是说,清洁发展机制在标准模式,和“重子缺失”或“暗重子”是指重子已知存在,但几乎没有观察到红移为零,并且是一个重子的黑暗组件附加“暗物质”。

1.导论:潮汐矮星系的形成

潮汐矮星系(TDG)，根据定义，是由气体和恒星引力束缚的大质量物体，在大质量螺旋星系之间的合并或遥远的潮汐相互作用中形成，其质量与矮星系相同[1)(图1）.它的寿命也应该相对较长，以便在相互作用后能够存活下来，要么围绕其巨大的前身运行，要么被驱逐到很远的地方。这需要至少十亿年的寿命，星系相互作用期间的瞬态结构不值得被认为是一个真正的TDG。在合并中tdg的形成已经被假设了几十年[2]，包括触角星系(NGC4038/39)中的潜在候选星系[3.]，并在Mirabel等人对这些潮汐矮候选者进行研究后成为一个日益活跃的研究课题[4］．

潮汐尾巴是星系相互作用的常见特征。还有一些潮汐桥和碰撞环，它们产生于相同的过程，具有相似的性质，尽管有些细节不同。潮汐尾是在许多相互作用的星系周围看到的长丝状结构。它们是由一个母螺旋星系的盘逐出的物质组成的。6］．顾名思义，这些物质部分是在另一个相互作用的星系所施加的潮汐力的作用下被排出的，但事实上，很大一部分是由引力力矩排出的，顾名思义，并没有。扰动星系对扰动盘施加非径向力，因此一些气体失去角动量，流向中心，在那里它可以引发星暴[7，而其他一些气体则获得角动量，以长长的潮汐尾巴的形式飞走。

至少有两种机制可以导致潮汐尾流中大规模子结构的形成(见图)1和2）.首先，重力不稳定性会发展，就像在任何富含气体的介质中一样。当母盘旋转的稳定效应消失或减弱时，将物质从盘中排出可以缓解引力坍塌。这个过程就是一个标准的牛仔裤不稳定性:当一个区域收集了足够多的气体来克服内部压力的支持，它就会坍缩成一个自我约束的物体。螺旋星系中分子云的形成也被认为是由同样的过程驱动的。不同的是，相互作用搅动和加热气体，并增加其速度色散[8］．因此，典型的牛仔裤质量很高，使相对大质量的物体得以形成。这些形成恒星的气体团在牛仔裤质量处形成，有规律的间距，牛仔裤波长，沿着长长的潮汐尾巴。它们就像“绳子上的珠子”[9］．数值模拟能够准确地模拟它们的形成过程，前提是分辨率较高(旋转不稳定长度)，并且含气量用某种流体力学模型来解释[10］．这种机制可以产生相对众多的tdg，每次主要合并可能有10个，但这些都不是非常庞大，最多只有几个米_O．同样的过程可以形成大量质量较小的结构，这些结构是超级星团而不是矮星系，有可能演变成球状星团。

一些潮汐矮星的质量要大得多或太阳的质量，通常在潮汐尾端形成单个物体[12］．它们不能仅仅由潮汐尾流的局部不稳定而形成。这些巨大的tdg是由祖螺旋星系的外盘的一个大区域位移到潮汐尾的外区域而产生的，在那里物质堆积并保持或成为自束缚[13，14］．当相互作用搅动气体时，增加的湍流将提供所需的压力支持，以避免碎裂成许多低质量物体。冷暗物质晕的形状，比星系的可见部分延伸得更广，使得这个过程更有效[15］．在大规模的tdg中，物质的堆积经常发生在潮汐尾端，也可能发生在不同的情况下，比如气体被捕获并围绕伴星旋转[9，16或连接两个相互作用的星系的气体桥[17，18］．

根据第一种机制，在观测到的相互作用的星系中经常发现一些中等质量的潮汐矮星。在非常外部区域的大规模tdg更少，每次合并最多2-3个，但有些合并根本没有任何tdg。观察结果显示，一种类型的临时发展项目的存在会减少另一种类型的临时发展项目的数量[19］．这可能是因为一个大质量的尾尖TDG的形成收集了很大一部分气体，而通过第一种机制，可以沿着尾部形成大量低质量TDG的剩余气体就更少了[19］．

部分2和3.将回顾tdg的内部质量含量，以及这如何约束缺失重子的性质。本节将讨论不同的限制因素，这些限制因素是由发展中国家发展战略的形成和存续所引起的4．

2.为什么潮汐矮星系不存在暗物质?

所有tdg的一个共同特性是，它们是由局部不稳定，或由在潮汐尾巴尖端的一大部分起源螺旋星系聚集而成的，它们只是由来自磁盘父旋涡星系事实上，只有最初处于旋转盘中的物质，其速度色散远低于旋转盘的速度，才会受到潮汐力和重力力矩的强烈影响，形成潮汐尾，进而形成潮汐矮矮星。椭球体以随机速度色散而非旋转为主，在相互作用过程中几乎不会产生微弱的蛋形畸变，但不会产生长而密的潮尾;这适用于螺旋星系的凸起，整个椭圆星系，也适用于任何星系的暗物质晕。

在两种标准的冷暗物质理论中，暗物质在星系周围形成球状晕[20.]和其他模型(例如，暖暗物质[21])。所有的模拟都表明暗物质无法参与tdg的形成[10，11，14］．一旦TDG形成，它的逃逸速度很低，最多几十公里对于最大的公司来说。TDG将嵌入在母螺旋星系的大光晕中(因为光晕比恒星和气体盘扩展得多)，因此一些暗物质粒子将穿过TDG，但不会被TDG的引力阱所控制。事实上，在像银河系这样的螺旋星系的光晕中，暗物质粒子的随机方向速度在200公里左右所以这些粒子中的绝大多数都逃过了潮汐矮星系。在任何时刻，来自光晕的一些暗物质粒子都会偶然出现在TDG的位置上，但这只占TDG质量的很小一部分，最多只有几个百分点。

届时tdg将不受暗物质的影响。这意味着，与“正常的”矮星系和螺旋星系相比，从它们的旋转速度和大小测量的动态质量不应该超过它们在恒星和气体中的可见质量。如果发现一个动态质量显著超标，就意味着tdg包含一个看不见的成分。这可能是暗物质，只有当(部分)暗物质在它们的祖先螺旋星系的旋转盘成分中，就像恒星和气体一样。否则，这就需要在螺旋星系中存在一种看不见的重子成分，不仅以热气体晕的形式存在——这种热气体晕并不参与tdgs的形成——而且以旋转盘中非常冷的气体的形式存在。如果不是由某种物质引起的，动态质量过剩可以归因于修正引力，这是所有类型星系中暗物质的理论替代品。这些不同的可能性将在下一节以NGC5291的观测为背景进行讨论。

3.潮汐矮星系的动力质量

3．1.碰撞环NGC5291

NGC5291中的碰撞环是由一次特定的正面碰撞形成的，这种碰撞形成了一个环，而不是通常的尾部。然而，它形成了潮汐矮星，就像更典型的尾巴合并。这个环中矮行星的高金属丰度，以及它们的恒星的年轻年龄，证实了它们是最近由潮汐物质形成的。它们的数量也太多了，不能简单地成为随机分布在碰撞环中的“普通”矮星系(图)3.）.

该系统中最大的三个tdg在其电离H的光谱观测中得到了空间解析气体(12及其中性原子(HI)气体[22］．布莱恩等人对分子气体的观察[23不需要动态质量大于可见质量。然而，对原子气体的新观察[22解析tdg的内部速度梯度，追踪它们的旋转到最外层区域。这证实了它们是旋转的，自引力的，与它们形成的大而扩散的HI环解耦，并使从旋转速度和半径可以测量动力质量。这就是Bournaud等人[22他们发现，与恒星、分子气体和原子气体中的可见质量相比，这些tdg的质量明显超标。多余的只是2或3倍，而不是经典矮星系的10倍(见图)3.）.这证实了tdg中缺乏暗物质的预期。不过，那里应该有一个看不见的部分，相当于可见部分的质量，甚至多一点。此外，旋转曲线是惊人的平坦:在远离这三个tdg中心的地方，旋转速度仍然很高，而只有在速度在外围降低时，才能与可见质量达到平衡。这为某些看不见的物质的存在提供了证据，这些物质主要位于这些潮汐矮星的外部区域。

这一观测结果与大多数位于螺旋星系周围大晕中的暗物质保持一致，但这意味着螺旋星系中还有另一种黑暗成分，现在属于NGC5291矮星的物质从这些成分中被排出。

看不见的气体分子
NGC5291中tdg的“可见”质量很大一部分是原子气体(HI)，也有分子气体。大部分的分子气体是由，不能直接观察到。使用标准的“CO-to-”，通过CO分子的发射来追踪分子质量“转换因素，这有点不确定。如果这些tdg中看不见的质量是分子气体，这将意味着转换因子的变化比预期的要大得多——10倍，而tdg具有接近太阳的金属丰度，因此预期的变化不超过2或3倍。没有被CO很好地追踪到的分子气体的经典相会有其他的影响，比如使盘不稳定和触发非常活跃的恒星形成，这是没有被观察到的[24］．更有可能的是，看不见的成分可能是分子气体的非标准相，非常冷，聚集在低质量、密度、但不形成恒星的地方blob ([25，26和Pfenniger等人的综述[27])。在tdg中发现它意味着它也存在于起源螺旋星系的盘中，至少在其外部区域。这与对银河系的观测是一致的[25，26，28和螺旋星系的一般动力学[29，至少假设这种“暗分子气体”是在非重子暗物质晕之外产生的，而不是取代它。

修改后的重力
NGC5291的tdg旋转速度大的另一个可能的解释是修正重力(MOND)。由于它会影响任何星系，不管它的起源是什么(潮汐或其他)，在这种情况下，tdg的高动态可见质量比自然是预期的。尽管tdg似乎没有经典矮星那样高的动态可见质量比，Gentile等人[30.]和米尔格罗姆[31都证明了MOND理论可以成功地解释它们的旋转曲线。

一个冷暗物质盘
最终可能会有另一种解释，它不需要修改引力，甚至不需要任何额外的质量成分。虽然暗物质主要是在螺旋星系周围的球状晕中，但也有一部分实际上是在恒星盘周围的一个厚厚的暗盘中。这可能是由小型卫星与磁盘合并带来的，以及Read等人的模拟[32]表明这种“暗盘”可能相对较大(另见Purcell等人[33])。在CDM理论中，这个暗盘可能会自然地出现在更大质量的球状晕之外。那么，如果这个组分中的暗物质粒子的速度色散不是太高，它可以像盘状物质的其余部分一样参与tdg的形成(B. G. Elmegreen, priv.com . comm.)。这一假设仍需在模拟中直接验证。目前还不清楚有多少圆盘暗物质会在合并过程中被分散，又有多少会在tdg中结束，这可能会给它们一个足够大的暗物质成分来解释它们观测到的旋转曲线。

３．２．其他可能的情况下

在NGC5291的数据上的错误条是这样的，结果是显著的2.5西格玛，当我们考虑到3个tdg已经被观察到。然而，仍有一些误差会以同样的方式影响三个观测到的tdg，比如系统的距离或倾角。所以这三个“探测”在很大程度上是独立的，但不是完全独立的。这个结果是否可以在其他系统中得到确认?

最著名的一对碰撞星系是天线星系(NGC4038/39，图)4)，有一些潮汐矮星系。长期以来，人们一直认为它们的动力质量和可见质量是相似的。然而，到这些星系的原始距离估计可能被高估了[34，这将使动态质量比可见质量高两到三倍，就像NGC5291一样。然而，天线距离的修正在很大程度上仍不确定[35］．还有其他不确定因素:首先，天线中的tdg还很年轻，仍在形成，可能还没有达到平衡。旋转速度可能不能准确地追踪质量——NGC5291中的tdg年龄更大，这使得分析更加可靠。此外，还有一个由三个恒星形成区域组成的HI气体团。因此，尚不清楚HI的速度是跟踪这三个物体的总质量，还是每个物体各自的质量，而NGC5291没有影响到这个问题，在这个问题中，每个TDG对应一个单独的、已解决的HI云。室女座星系团的另一个旧TDG的尝试[36与可见质量相比，动态质量可能会再次超出，但有很大的误差棒。

仍然需要对tdg中存在的“看不见的质量”进行强有力的确认。例如，如果用现代干涉仪以高分辨率和高信噪比观测到相对较旧的tdg，就可以得到它们。这肯定会告诉我们tdg是否包含一个看不见的成分，无论结果如何，对于典型螺旋星系的质量内容来说，这都具有重要的意义。

4.(一些)矮卫星星系可能是潮汐起源吗?

我们在上面的部分表明，tdg的内部属性(它们的可见质量相对于它们的旋转速度)可能与某些“缺失的”重子成分的性质有关。潮汐矮星系对宇宙的重子含量有另一种完全不同的含义，这与它们自身的内部属性无关，而是与由潮汐机制形成的矮星系的数量有关，与宇宙中任何起源的矮星系的总数相比。

tdg可能确实对矮星系的总体数量有贡献，特别是大质量星系周围的矮卫星——例如，银河系的一些矮卫星在原则上可能是很久以前发生的碰撞产生的潮汐碎片。当然，这将改变矮星系的预期数量和星系质量函数的低质量端——如果预测的矮星系数量已经太高的话，这可能不是正确的方向。

关键是潮汐矮星系的生存。通常，它们必须存活大约10亿年，才能使它们形成的合并放松下来，这样它们才能以“正常”矮卫星星系的形式出现在“正常”星系的周围(而不是正在进行的合并)。它们必须在高红移的合并中存活5或10亿年才能产生红移为0的矮卫星。这种情况经常发生吗?有几个因素可以摧毁tdg:“内部”过程，比如气体主导的tdg开始形成恒星和超新星时的初始星暴，以及“外部”过程，比如在相互作用中形成tdg的同一个星系施加的破坏性潮汐场。

具有数十个模拟的大样本[11]对解决这个问题是有用的。质量最大的潮汐矮星系，体积大，质量大((太阳质量)，旋转的，优先形成在潮汐尾巴尖端的，不会大量出现。很少有超过2或3个形式的主要合并，有时根本没有。大约有一半的星系会在几十亿年的时间内被摧毁，要么落入它们的祖先星系，要么被其潮汐场破坏。对于大多数今天的矮卫星来说，要想成为过去合并后的tdg，就需要形成一个每次重大合并都有10个tdg，每个都通过了哈勃时间[37］．因此，模拟表明，现代矮卫星星系中只有一小部分是潮汐起源的——但不是一个完全可以忽略的部分:总体来说是几个百分点。在经历了更多合并的红色早期型星系周围，这一比例可能比螺旋星系更高:这是因为tdg预计主要是在螺旋星系合并中形成的，合并后这些祖先星系通常成为红色早期型星系[38］．

更低质量的tdg1在每个星系合并中，太阳的重子质量可能更多。它们在数值模拟中更难研究，因为它们需要高空间分辨率和质量分辨率。尽管如此，它们仍能挺过最初的星爆，但会损失很大一部分质量[39］．它们还能在形成后的十亿年多的时间里抵御潮汐场[40］．模拟从未长时间跟踪这些低质量物体;有些可能会在高红移时形成，并存活到红移为零，这似乎是合理的，但可能是低质量的残余，可能根本难以探测，或演变成紧凑的球状星团，而不是矮星系[40］．

虽然今天的大多数矮星系似乎不太可能是潮汐起源的，但它们可能有重要的贡献。有一些已知的在高红移时形成tdg的例子[41也许有些已经存活到红移为零。已知的具有不寻常颜色或金属丰度的矮星系的例子可能是长寿的潮汐矮星系[36，42］．然而，对大量坚固的古老潮汐矮矮星的探索仍然是开放的。

5.总结

潮汐矮星系的形成是星系合并过程中经常观测到的现象，并在数值模拟的帮助下得到了广泛的研究。虽然这些物体的长期进化和潜在生存仍存在很大争议，但它们的形成机制现在已经很清楚了。

所有模型的一个明确预测是，tdg不可能包含其前身螺旋星系的暗物质晕的显著质量分数。观测表明，在一些情况下，tdg的总动态质量超过了它们在气体和恒星中的可见质量，这表明它们确实包含一些看不见的成分。这一结果仅在NGC5291中得到了证实，但在其他情况下仍需进一步证实。tdg中一个看不见的成分可能会限制冷气相中“缺失重子”的存在。

tdg的另一个宇宙学含义与它们的长期生存有关，以及它们如何影响矮星系的质量功能。这个问题在很大程度上仍然没有解决，但有很大的希望，在主要合并的模拟中，现代数值模型可以解决tdg的内部物理问题，从而在接下来的几年里取得重大进展。

致谢

作者感谢“矮星系和宇宙学”特别卷的编辑邀请他撰写这篇教程评论。对Elias Brinks, Pierre-Alain Duc, Jonathan Braine和两个裁判员的早期版本的有用评论，以及与Bruce Elmegreen, Moti Milgrom和Daniel Pfenniger关于潮汐矮星系质量差异起源的讨论都是值得赞赏的。

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