German Title: Ursprung und Eigenschaften elliptischer Galaxien im hierarchischen Universum

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Abstract

The formation of elliptical galaxies by merging galaxies has been investigated adopting three different paths. First, we confirm that the frequency of major merger events predicted by hierarchical models is in fair agreement with observations. Second, the generally assumed initial conditions used in numerical simulations of merging galaxies were tested. Orbital parameters of the merging galaxies are derived self-consistently from large scale N-body simulations, showing that the commonly used parameters are in agreement, but resemble just a small fraction of the possible parameter space. Most of the mergers are taking place on parabolic orbits with pericenter distances larger than generally assumed in simulations. Using semi-analytical modeling techniques, the morphology of progenitors is found to be dependent on the luminosity of the present-day elliptical. One can distinguish three different regions: ellipticals with M_B < -21 are mainly formed by a merger of two bulge-dominated galaxies, while ellipticals with roughly M_B = -20 are mainly the result of a disk-dominated galaxy merging with a bulge-dominated galaxy. Only low luminous ellipticals with M_B > -18 are the product of disk galaxies merging, as usually assumed in merger simulations. The third path is to implement results of detailed numerical simulations into a semi-analytic models of galaxy formation model and to compare global predictions for ellipticals with observations. The dependence of the isophotal shape of an elliptical on the mass ratio of the last major merger, as suggested by dissipationless simulations, fails in reproducing the observed correlation between isophotal shape and mass of an elliptical. Only the assumption that all major mergers between elliptical galaxies lead to boxy ellipticals allows to recover the observed trend. Including the effects of binary black hole merging in the centers of the remnants, it is possible to recover the observed core mass deficit-black hole mass relation.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurde die Entstehung elliptischer Galaxien durch die Verschmelzung von Galaxien von drei verschiedenen Standpunkten aus untersucht. Zum einen wurde gezeigt, dass die beobachtete Häufigkeit von Galaxienverschmelzung im Einklang mit theoretischen Vorhersagen des Standard-Cold-Dark-Matter-Modells ist. Zum anderen wurden die in numerischen Simulation verwendeten Anfangsbedingungen für die Verschmelzung zweier Galaxien überprüft. Es zeigt sich, dass die Anfangsbedingungen welche aus kosmologischen Simulationen extrahiert werden im Einklang mit den üblicherweise verwendeten stehen, aber nur einen kleinen Teil des möglichen Parameterraumes abdecken. Lediglich der Perihelabstand wird in Verschmelzungssimulationen systematisch kleiner gewählt als es kosmologische Simulationen vorhersagen. Die Morphologie der Verschmelzungspartner, modelliert mit semi-analytischen Methoden, korelliert mit der Leuchtkraft der entstehenden elliptischen Galaxie. Elliptische Galaxien mit M_B < -21 sind hauptsächlich durch die Verschmelzung zweier Galaxien mit dominanter sphäroidaler Komponente entstanden, wohingegen elliptische Galaxien mit M_B ca. -20 ihren Ursprung in der Verschmelzung einer sphäroidal-dominierten und einer scheiben-dominierten Galaxie haben. Lediglich leuchtschwache Ellipsen mit M_B > -18 werden hauptsächlich durch die Verschmelzung zweier scheiben-dominierter Galaxien erzeugt. Dieses Resultat ist im Widerspruch zum Standardmodell nach dem alle Ellipsen durch die Verschmelzung von Spiralen entstehen. Weiterhin benutzen wir Resultate detaillierter numerischer Simulationen in einem semi-anlytischen Modell für die Entstehung von Galaxien und testen, ob modellierte Vorhersagen in Übereinstimmung mit beobachteten sind. Unter der Annahme, dass die Isophotenform elliptischer Galaxien lediglich von dem Massenverhältnis der verschmelzenden Galaxien abhängt, wie es dissipationslose numerische Simulation verschmelzender Galaxien andeuten, kann die beobachtete Korrelation zwischen Leuchtkraft und Isophotenform elliptischer Galaxien nicht reproduziert werden. Lediglich die Annahme, dass die Verschmelzung zweier sphäroidaldominierter Galaxien zu einer elliptischen Galaxie mit "boxy" Isophoten führt ermöglicht es den beobachteten Trend zu reproduzieren. Berücksichtigung des Einflusses zweier verschmelzender schwarzer Löcher auf die stellare Dichteverteilung im Zentrum einer Galaxie, wie es numerische Simulationen vorhersagen, führt dazu, dass die beobachtete Korrelation zwischen Massendefizit und schwarzer Lochmasse reproduziert werden kann.