[論文レビュー] A Comparison between Semi-Analytic Model Predictions for the CANDELS Survey

Yu Lu, Risa H. Wechsler+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 64

ひとこと要約

本研究では、同一のボルショイN体粒子シミュレーションのハロに適用された、3つの独立した半解析的銀河形成モデルを比較し、局所的恒星質量関数に一致させるためにベイズ推論を用いる。星形成および降着のパラメータ設定が異なるにもかかわらず、恒星質量の蓄積歴については類似した予測を示すが、金属量-恒星質量関係および星形成率では顕著に乖離する。これは、恒星質量関数の明るさの低い端を再現することと、観測による金属量制約を同時に満たすという根本的な矛盾を示している。

ABSTRACT

We compare the predictions of three independently developed semi-analytic galaxy formation models that are being used to aid in the interpretation of results from the CANDELS survey. These models are each applied to the same set of halo merger trees extracted from the "Bolshoi" simulation and are carefully tuned to match the local galaxy stellar mass function using the powerful method of Bayesian Inference coupled with MCMC or by hand. The comparisons reveal that in spite of the significantly different parameterizations for star formation and feedback processes, the three models yield qualitatively similar predictions for the assembly histories of galaxy stellar mass and star formation over cosmic time. We show that the SAMs generally require strong outflows to suppress star formation in low-mass halos to match the present day stellar mass function. However, all of the models considered produce predictions for the star formation rates and metallicities of low-mass galaxies that are inconsistent with existing data and diverge between the models. We suggest that large differences in the metallicity relations and small differences in the stellar mass assembly histories of model galaxies stem from different assumptions for the outflow mass-loading factor. Importantly, while more accurate observational measurements for stellar mass, SFR and metallicity of galaxies at 1

研究の動機と目的

• CANDELS調査の銀河特性を予測する3つの独立して開発された半解析的銀河形成モデルの整合性を評価すること。
• 星形成およびフィードバックプロセスの異なるパrameter化が、局所的恒星質量関数に一致するように調整された後でも、予測に顕著な差を生じるかどうかを評価すること。
• 特に金属量、星形成率、および静止銀河率といった観測量が、モデル間の差を最も強く判別するかを特定すること。
• 低質量銀河（1 < z < 5）において、モデルの予測と観測結果の間で継続的に見られる乖離を強調すること。
• モデルのバイアスと不確実性を明確化することで、今後のCANDELS調査データの解釈に理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 高解像度のボルショイN体粒子シミュレーションから得た同一のハロ合体木に、3つの異なる半解析的モデル（Lu, Croton, Behroozi）を適用する。
• 局所的銀河恒星質量関数を再現するために、マルコフ連鎖モンテカルロ法（MCMC）または手動チューニングを用いたベイズ推論により、モデルパラメータをキャリブレーションする。
• 宇宙時間（z = 0 から z = 8）にわたって、恒星質量、星形成率、金属量、および静止銀河率を含む銀河特性を予測する。
• フィードバックおよび星形成パラメータ設定に起因する差を明確にするために、同じ赤方偏移および質量チャンクでモデル出力を直接比較する。
• CANDELS調査の幾何的特性に一致するライトコーン上にモック銀河カタログを構築し、観測バイアスと不確実性を評価する。
• 金属量-恒星質量関係の進化を分析し、特に流出質量ロードファクターがモデル差を引き起こす役割に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じ局所的恒星質量関数に一致するようにキャリブレーションされた3つの独立して開発された半解析的モデルが、銀河恒星質量の蓄積歴および星形成歴を予測する際に、どの程度類似した結果をもたらすか？
• RQ2 フィードバックおよび星形成パラメータ設定の違いが、金属量-恒星質量関係およびその進化にどの程度の差を生じるか？
• RQ3 恒星質量関数の明るさの低い端の傾きをうまく再現するモデルが、低質量銀河における観測された金属量と一致しないのはなぜか？
• RQ4 金属量、星形成率、静止銀河率といった観測量の中で、モデルと観測結果の間で最大の乖離を示すのはどれか？その乖離が、モデルの制約に最も強い影響を与えるか？
• RQ5 これらのモデルから得られるモックライトコーンカタログは、系統的バイアスを定量化することで、CANDELS調査データの解釈をどのように改善できるか？

主な発見

• 異なるパラメータ設定であっても、3つのモデルは宇宙的恒星質量蓄積歴および星形成率について、質的に類似した予測を示す。
• すべてのモデルが、低質量ハロにおける星形成を抑制し、局所的恒星質量関数の明るさの低い端の傾きを再現するために、強力な流出（最大で約 ~1 M☉ yr⁻¹）を必要としている。
• モデルは観測よりもはるかに急勾配の金属量-恒星質量関係を予測しており、その中でLuモデルがフィードバックによる金属の効率的排出のおかげで最も急勾配の関係を示す。
• ガスの再加熱を保持するCrotonモデルは、低質量銀河の金属量を最も高く予測するが、Luモデルは高赤方偏移において、ある質量に対して最も低い金属量を予測する。
• 金属量-恒星質量関係の進化傾向は、モデル間で顕著に異なり、これはフィードバックパラメータ設定、特に流出質量ロードファクターがモデルの乖離を支配していることを示している。
• 1 < z < 5 の低質量銀河における金属量および星形成率のモデル予測と観測結果の乖離は、現在の銀河形成におけるフィードバックモデリングに根本的な問題があることを示している。