角动量调节星系盘的原子气体比例

我们表明，在重子质量为 M 的孤立本地盘状星系中，中性原子气体（HI 和 He）的质量分数 f_atm = 1.35*MHI/M 可由一个针对平坦指数盘的简易稳定性模型很好地描述。在盘的外围区域，具有暖中性介质特征弥散度的气体在 Toomre (1964) 意义下是稳定的，该部分盘由中性原子气体构成；反之，该介质在 Toomre 意义上不稳定的内部区域则由恒星和分子主导。在此模型中，f_atm 仅依赖于一个全局稳定性参数 q=j*sigma/(GM)，其中 j 为盘的重子比角动量，sigma 为原子气体的速度弥散。解析导出的一阶解 f_atm = min{1,2.5q^1.12} 对所有合理的旋转曲线均给出良好拟合。该模型无自由参数，与孤立本地盘状星系中 f_atm 的观测测量吻合极好（±0.2 dex），即便对于质量上极富 HI 或极贫 HI 的星系也是如此。出于纯粹稳定性原因 f_atm 随 q 单调增加的这一发现，为 f_atm 随 M 的平均变化提供了强有力的直观解释：在冷暗物质宇宙中，星系预期遵循 j~M^(2/3)，这意味着平均标度关系 q~M^(-1/3) 从而 f_atm~M^(-0.37)，与观测一致。