[論文レビュー] Connecting Galaxies with Halos Across Cosmic Time: Stellar mass assembly distribution modeling of galaxy statistics

M. R. Becker|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

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ひとこと要約

本論文は、宇宙の時間的経過にわたって銀河の恒星質量成長をダークマターハローの性質と結びつける統計的モデル—恒星質量蓄積分布（SMAD）—を導入する。N体ハローマージャーツリーにSMADを統合し、星団合成モデル（SPS）を適用することで、特定星形成率による銀河の二峰性クラスタリングを定性的に再現した。これは、ハロー質量吸収歴の相関が、恣意的な仮定なしに銀河の同一性（conformity）や高次統計を自然に生じることを示している。

ABSTRACT

In this work, I explore an empirically motivated model for investigating the relationship between galaxy stellar masses, star formation rates and their halo masses and mass accretion histories. The core statistical quantity in this model is the stellar mass assembly distribution, $P(dM_{*}/dt|\mathbf{X},a)$, which specifies the probability density distribution of stellar mass assembly rates given a set of halo properties $\mathbf{X}$ and epoch $a$. Predictions from this model are obtained by integrating the stellar mass assembly distribution (SMAD) over halo merger trees, easily obtained from modern, high-resolution $N$-body simulations. Further properties of the galaxies hosted by the halos can be obtained by post-processing the stellar mass assembly histories with stellar population synthesis models. In my particular example implementation of this model, I use the \citet{behroozi13a} constraint on the median stellar mass assembly rates of halos as a function of their mass and redshift to construct an example parameterization of $P(dM_{*}/dt|\mathbf{X},a)$. This SMAD is then integrated over individual halo mass accretion histories from $N$-body merger trees starting at z = 4, using simple rules to account for merging halos. I find that this a simple model can reproduce qualitatively the bimodal features of the low-redshift galaxy population, including the qualitative split in the two-point clustering as a function of specific star formation rate. These results indicate that models which directly couple halo and galaxy growth through simple efficiency functions can naturally predict the star formation rate bimodality in higher-order statistics of the galaxy field, such as its two-point correlations or galactic conformity signals.

研究の動機と目的

• 宇宙時間にわたる銀河-ハロー接続を統計的に根拠づけ、観測に裏付けられたモデルを構築すること。
• ハロー質量吸収歴が銀河恒星質量蓄積および観測されたクラスタリングパターンに与える影響を調査すること。
• ハロー進化への恒星質量成長の単純な結合が、sSFRの二峰性や銀河の同一性といった観測された二峰性銀河統計を再現できるかを検証すること。
• クラスタリングやレンズ効果といった観測データに直接SMADパラメータをフィットするためのフレームワークを提供すること。
• FSPSモデルを用いて、銀河の色、スペクトル、超新星発生率、星形成率密度の予測を可能にすること。

提案手法

• ハローの性質 $ \mathbf{X} $ と赤方偏移 $ a $ を条件とする恒星質量蓄積率の確率密度関数として、恒星質量蓄積分布（SMAD）$ P(dM_{*}/dt|\mathbf{X},a) $ を定義する。
• Behrooziら（2013a）の中央値恒星質量蓄積率を制約として用い、SMADをパラメータ化する。これは個々のハローレイリーに適用可能であると仮定する。
• 高解像度N体シミュレーションの個々のハローマージャーツリーに、$ z = 4 $ から始めてSMADを統合し、単純な規則でハロー合体を扱う。
• Chabrier IMFおよび太陽金属量を用いた星団合成（FSPS）モデルを適用し、星形成歴を観測可能な色とスペクトルに変換する。
• 得られた恒星質量およびSFR歴を後処理し、銀河の色とクラスタリング統計を計算し、SDSSモックカタログと比較する。
• 投影相関関数および色分布を用いて、モデル予測をローカル銀河集団の統計と照合して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 恒星質量蓄積をハロー質量吸収歴に直接結びつける統計的モデルが、特定星形成率による銀河の二峰性クラスタリングを再現できるか？
• RQ2 ハロー質量吸収歴と大規模構造環境との相関が、銀河の同一性信号をどの程度自然に説明できるか？
• RQ3 中央値蓄積率からパラメータ化された単純なSMADモデルが、低赤方偏移銀河の色およびクラスタリング特性をどの程度再現できるか？
• RQ4 特に星形成シーケンスと色の二峰性を再現する点で、観測されたSDSSデータと比較して、このアプローチの限界は何か？
• RQ5 このフレームワークを拡張し、確率的性質、ピーク後の質量進化、合体誘発星形成爆発をモデル化することで、観測との一致を向上させられるか？

主な発見

• モデルは特定星形成率による銀河の二峰性クラスタリングを定性的に再現しており、ハロー質量吸収歴の相関が、銀河の同一性のような高次統計を自然に生じることを示している。
• モデルは色の二峰性を生じるが、低質量で強い傾向を示す。ただし、低質量中心銀河はSDSSモックカタログと比較して赤すぎる。
• モデルにおける星形成シーケンスはやや停止気味に見えるため、現在のSMADパラメータ化では低質量ハローにおける星形成率が低く見積もられている可能性がある。
• モデルはあらゆる恒星質量において一貫して赤い衛星銀河を生成しており、環境的停止効果と整合的である。
• FSPSを用いた銀河の色とスペクトルの予測に成功しており、広帯域光度測定および超新星発生率モデリングへの有用性を示している。
• 今後の作業として、SMADパラメータを観測クラスタリング、レンズ効果、赤方偏移空間歪みデータに直接フィットすることで、モデルの精度を著しく向上させられる見通しである。