[論文レビュー] BGM FASt: Besan\c{c}on Galaxy Model for Big Data. Simultaneous inference of the IMF, SFH and density in the Solar Neighbourhood

R. Mor, A. C. Robin+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 57被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、近位銀河系における初期質量函数（IMF）、星形成歴（SFH）、および星の密度の同時多パラメータ推定を可能にする、高速でスケーラブルなフレームワークBGM FAStを紹介する。このフレームワークは、ベサンソン銀河モデル（BGM）に基づき、近似ベイズ計算（ABC）を用いる。事前にスキャンされたシミュレーションと再重み付けスキームを活用することで、標準的なBGMに比べて約10⁴倍の高速化を達成し、色-等級図などの主要な観測量を高精度で再現する。得られた結果として、時間とともに減少する薄銀河盤のSFH、現在の星形成率1.2±0.2 M⊙/yr、全星質量密度0.051+0.002−0.005 M⊙/pc³、および0.5〜1.53 M⊙の範囲における合成IMFの勾配α₂=2.1+0.1−0.3が得られた。

ABSTRACT

We develop a new theoretical framework to generate Besan\c{c}on Galaxy Model fast approximate simulations (BGM FASt) to address fundamental questions of the Galactic structure and evolution performing multi-parameter inference. As a first application of our strategy we simultaneously infer the IMF, the star formation history and the stellar mass density in the Solar Neighbourhood. The BGM FASt strategy is based on a reweighing scheme, that uses a specific pre-sampled simulation, and on the assumption that the distribution function of the generated stars in the Galaxy can be described by an analytical expression. To validate BGM FASt we execute a set of tests. Finally, we use BGM FASt with an approximate Bayesian computation algorithm to obtain the posterior PDF of the inferred parameters, by comparing synthetic versus Tycho-2 colour-magnitude diagrams. Results: The validation shows a very good agreement between BGM FASt and the standard BGM, with BGM FASt being $\approx 10^4$ times faster. By analysing Tycho-2 data we obtain a thin disc star formation history decreasing in time and a present rate of $1.2 \pm 0.2 M_\odot/yr$. The resulting total stellar mass density in the Solar Neighbourhood is $0.051_{-0.005}^{+0.002} M_\odot/pc^3$ and the local dark matter density is $0.012 \pm 0.001 M_\odot/pc^3$. For the composite IMF we obtain a slope of $\alpha_2={2.1}_{-0.3}^{+0.1}$ in the mass range between $0.5 M_\odot$ and $1.53M_\odot$. The results of the slope at the high mass range are trustable up to $4M_\odot$ and highly depend on the choice of the extinction map (obtaining $\alpha_3={2.9}_{-0.2}^{+0.2}$ and $\alpha_3={3.7}_{-0.2}^{+0.2}$ respectively, for two different extinction maps). Systematic uncertainties are not included. Conclusions: The good performance of BGM FASt demonstrates that it is a very valuable tool to perform multi-parameter inference using Gaia data releases.

研究の動機と目的

• 現代のベイズ推論を用いて大規模なパラメータ空間を探索する際の、従来のMilky Wayモデリングにおける計算ボトルネックを解消すること。
• Gaiaのような大規模な調査を処理できる、Apache Spark や Hadoop などのビッグデータプラットフォームと互換性を持つ、高速でスケーラブルなシミュレーションフレームワークの開発。
• Tycho-2の観測データを用いて、IMF、SFH、星質量密度といった複数の基本的銀河パラメータを同時に推定すること。
• 動的整合性を保ちつつ、標準的なBGMシミュレーションと比較して新フレームワークの性能を検証すること。
• 実際の光度およびアストロメトリックデータを用いて、局所的なIMF、SFH、密度を制約するフレームワークの有効性を示すこと。

提案手法

• BGM FAStフレームワークは、標準的なベサンソン銀河モデル（BGM Std）に基づく事前スキャン済みシミュレーション（母シミュレーション）を基盤として用いる。
• フルシミュレーションを再実行せずに、新たなパラメータ値（例：IMF、SFH、密度則）に応じて、シミュレートされた星の集団を再重み付けするスキームを適用する。
• 銀河内の星の分布関数が解析的表現で記述可能であると仮定することで、効率的なパラメータ空間探索が可能になる。
• 合成色-等級図（CMD）と観測されたTycho-2データを比較するため、近似ベイズ計算（ABC）アルゴリズムと統合し、パラメータ推定を自動化する。
• フレームワークはApache SparkおよびHadoopに実装されており、Gaiaデータ分析フレームワーク（GDAF）のようなビッグデータインfraに統合された分散処理を実現する。
• 動的整合性は、局所的動的統計的平衡（LDSE）が解析的制約によって維持されることで保証され、フルBGM Stdシミュレーションとの比較によって検証されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な調査データを用いて、銀河パラメータの効率的かつ多パラメータ推定を可能にする、高速でスケーラブルなシミュレーションフレームワークを開発できるか？
• RQ2 BGM FAStは、標準的なBGMと比較して、CMD や星の分布といった主要な観測量をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 Tycho-2データを用いて、太陽系近傍における初期質量函数（IMF）、星形成歴（SFH）、星質量密度の推定値は何か？
• RQ4 特に消光マップの系統的不確実性が、高質量域におけるIMF勾配にどのような影響を及えるか？
• RQ5 このフレームワークは、非パラメトリックなSFH、金属量依存IMF、時間的に変化する銀河盤構造を含めるようにどの程度拡張可能か？

主な発見

• BGM FAStは、標準的なBGMコードに比べて約10⁴倍の高速化を達成し、シミュレートされた色-等級図および星の分布において優れた一致を示した。
• 太陽系近傍における推定された星形成歴は、時間とともに減少する傾向を示し、現在の星形成率は1.2±0.2 M⊙/yrであった。
• 太陽系近傍における全星質量密度は0.051+0.002−0.005 M⊙/pc³であり、局所的ダークマター密度は0.012±0.001 M⊙/pc³であった。
• 合成IMFの勾配は、0.5〜1.53 M⊙の範囲でα₂=2.1+0.1−0.3であり、Salpeter型の勾配と整合的であった。
• 高質量域（4 M⊙）におけるIMF勾配は、消光マップに強く依存しており、Drimmelマップを用いるとα₃=3.7+0.2−0.2、Stilismマップを用いるとα₃=2.9+0.2−0.2が得られ、両者ともSalpeter勾配を約3σで棄却した。
• 薄銀河盤の径方向スケール長は poorly constrained であり（例：Stilismマップを用いると2151+421−247 pc）、SFHの形状は消光マップの選択に依存するが、現在の星形成率は安定した推定値を示した。