[論文レビュー] Abundance matching with the mean star formation rate: there is no missing satellites problem in the Milky Way

Justin I. Read, Denis Erkal|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、銀河の星形成率の平均値（⟨mSFR⟩）を用いて、銀河の前降着時のハロー質量（M₂₀₀）を推定する、新しい豊度マッチング技術を紹介する。SDSS、GAMA、Bolshoiのデータを用いて⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係をキャリブレーションすることで、観測的ハロー質量と動力学的ハロー質量の間で良好な一致が得られ、シミュレーションにおける準位の減少を考慮した場合、銀河のM₂₀₀ ≈ 10⁹ M☉以上の領域では、欠落した衛星問題が生じないことが示された。

ABSTRACT

We introduce a novel abundance matching technique that produces a more accurate estimate of the pre-infall halo mass, $M_{200}$, for satellite galaxies. To achieve this, we abundance match with the mean star formation rate, averaged over the time when a galaxy was forming stars, $\langle { m SFR} angle$, instead of the stellar mass, $M_*$. Using data from the Sloan Digital Sky Survey, the GAMA survey and the Bolshoi simulation, we obtain a statistical $\langle { m SFR} angle-{ m M}_{200}$ relation in $\Lambda{ m CDM}$. We then compare the pre-infall halo mass, $M^{ m abund}_{200}$, derived from this relation with the pre-infall dynamical mass, $M^{ m dyn}_{200}$, for 21 nearby dSph and dIrr galaxies, finding a good agreement between the two. As a first application, we use our new $\langle { m SFR} angle-{ m M}_{200}$ relation to empirically measure the cumulative mass function of a volume-complete sample of bright Milky Way satellites within 280 kpc of the Galactic centre. Comparing this with a suite of cosmological 'zoom' simulations of Milky Way-mass halos that account for subhalo depletion by the Milky Way disc, we find no missing satellites problem above $M_{200} \sim 10^9\,{ m M}_\odot$ in the Milky Way. We discuss how this empirical method can be applied to a larger sample of nearby spiral galaxies.

研究の動機と目的

• 衛星の前降着時のハロー質量推定の精度を向上させることで、長年の銀河の欠落した衛星問題を解決すること。
• 従来の星形成質量に基づく豊度マッチングの限界を克服し、ハロー質量のより信頼できる代理指標として平均星形成率（⟨mSFR⟩）を導入すること。
• 観測データと宇宙論的シミュレーションを用いて、ΛCDMフレームワーク内での⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係を実証的にキャリブレーションすること。
• 銀河のディスクによる準位の減少を適切にモデル化した場合、観測された銀河衛星の数が宇宙論的シミュレーションの予測と一致するかどうかをテストすること。
• 他の近隣のスパイラル銀河に対しても応用可能な、一般化可能な手法を提供すること。

提案手法

• 銀河を星形成質量（M_*）ではなく、星形成寿命期間における平均星形成率（⟨mSFR⟩）に基づいて、暗黒物質ハローにマッチングする新しい豊度マッチング技術を開発する。
• スローン・デジタル・スカイ・サーベイ（SDSS）およびGAMA調査の観測データを用い、21個の近隣のdSphおよびdIrr銀河の⟨mSFR⟩を測定する。
• Bolshoi宇宙論的シミュレーションを用いて、⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係をキャリブレーションし、ハロー特性のΛCDMベースの理論的枠組みを提供する。
• ⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係から前降着時のハロー質量（M²⁰⁰_abund）を導出し、運動論的データから得られる前降着時の動力学的質量（M²⁰⁰_dyn）と比較する。
• 観測された⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係を用いて、280 kpc以内の明るい銀河衛星の累積質量関数を構築する。
• 銀河ディスクによる準位の減少を含む「ズーム」シミュレーションのスイートと、観測された質量関数を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 豊度マッチングにおいて星形成質量の代わりに平均星形成率（⟨mSFR⟩）を用いることで、銀河衛星の前降着時のハロー質量推定がより正確になるか？
• RQ2 ⟨mSFR⟩から導かれた観測的ハロー質量と、運動論的測定による動力学的ハロー質量の間に統計的に有意な乖離が生じるか？
• RQ3 銀河ディスクによる準位の減少を考慮した場合、観測された銀河衛星の数が宇宙論的シミュレーションの予測と一致するか？
• RQ4 新しい⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係から導かれる、280 kpc以内の明るい銀河衛星の累積質量関数は何か？
• RQ5 この実証的アプローチは、他の近隣のスパイラル銀河に対しても一般化可能で、その衛星系とハロー質量関数の研究に応用可能か？

主な発見

• SDSS、GAMA、Bolshoiのデータから導かれた⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係は、前降着時のハロー質量推定に、信頼性が高く正確な手法を提供する。
• 21個のdSphおよびdIrr銀河について、⟨mSFR⟩から導かれた観測的ハロー質量（M²⁰⁰_abund）と、運動論的測定による動力学的ハロー質量（M²⁰⁰_dyn）の間には良好な一致が見られる。
• 銀河ディスクによる準位の減少をシミュレーションで考慮した場合、明るい衛星（M₂₀₀ ≥ 10⁹ M☉）の観測数が予測数と一致し、欠落した衛星問題が解消される。
• 準位の減少を含めた場合、新しい手法から導かれた280 kpc以内の銀河衛星の累積質量関数は、ΛCDMの予測と整合的である。
• 実証的な⟨mSFR⟩–M₂₀₀関係は、他の近隣のスパイラル銀河における衛星集団とハロー質量関数の研究に、実用的かつ一般化可能な手法を提供する。
• 本研究は、欠落した衛星問題がΛCDMの根本的失敗ではなく、誤ったハロー質量推定と準位の減少の無視に起因することを示している。