[論文レビュー] Constraining Star Formation Histories of Blue Galaxies using the Scatter between Stellar Mass and Halo Mass

ChangHoon Hahn, Jeremy L. Tinker+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

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ひとこと要約

本論文は、星々の質量とハロー質量の関係（SHMR）の散らばりを用いて、青い銀河の星形成歴を制約し、星形成変動の timescale（$t_{\text{duty}}$）とハロー降着との相関（$r$）がSHMRの散らばりに直接影響することを示している。$z=0$における観測された$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dexを再現するには、$t_{\text{duty}} \leq 1.5$ Gyrおよび$r > 0.6$が必要であり、近い将来の調査によってより厳密な制約が得られる可能性がある。

ABSTRACT

We present constraints on the timescale of star formation variability and the correlation between star formation and host halo accretion histories of star-forming (SF) central galaxies from the scatter of the stellar-to-halo mass relation (SHMR). SF galaxies are found to have a tight relationship between their star formation rates and stellar masses on the so-called "star-forming sequence" (SFS), which characterizes their SF histories and $M_*$ growths. Meanwhile, observed SHMR constraints connect $M_*$ growth to halo accretion history. Combining these observed trends with a cosmological $N$-body simulation, we present flexible models that track the SF, $M_*$, and halo accretion histories of SF central galaxies at $z<1$ while reproducing the observed stellar mass function and SFS in SDSS DR7. We find that the scatter in SHMR at $M_h=10^{12}M_\odot$, $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$, is sensitive to the timescale of star formation variability, $t_{ m duty}$, and the correlation coefficient, $r$, between SF and halo accretion histories: shorter $t_{ m duty}$ and higher $r$ both result in tighter $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$. To reproduce a constant 0.2 dex scatter over $z=1-0$, our models require $t_{ m duty}\leq1.5$ Gyr for $r=0.99$ or $r>0.6$ for $t_{ m duty}=0.1$ Gyr. For $r\sim0.6$, as found in the literature, $t_{ m duty}<0.2$ Gyr is necessary. Meanwhile, to reproduce the tightening of $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}=0.35$ to 0.2 dex from $z=1-0$ in hydrodynamical simulations, our models require $t_{ m duty}=0.1$ Gyr for $r>0.5$. Although, the lack of consensus on $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ at $M_h=10^{12}M_\odot$ and at $z=1$ from observations and galaxy formation models remains the main bottleneck in precisely constraining $r$ and $t_{ m duty}$, we demonstrate that SHMR can be used to constrain the SF and host halo accretion histories of SF central galaxies.

研究の動機と目的

• 星形成中心銀河における星形成変動の timescale（$t_{\text{duty}}$）と、それらのハロー降着歴との相関（$r$）を制約すること。
• ハロー質量$M_h = 10^{12}M_\odot$における星質量対ハロー質量関係（SHMR）の散らばりが、$t_{\text{duty}}$と$r$にどのように依存するかを調査すること。
• 観測されたSHMRの散らばりが、異なる星形成歴およびハロー降着歴を区別できるかを検証すること。
• SDSS DR7データと流体力学的シミュレーションを比較することで、現在の観測的制約における$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$の矛盾を解消すること。
• SHMRの散らばりが、とりわけ近い将来の深宇宙調査を想定した場合に、銀河形成物理学の感受性の高いプローブであることを示すこと。

提案手法

• 赤方偏移$z < 1$における星形成中心銀河の星形成、星質量、およびハロー降着歴を追跡する柔軟な、宇宙論的$N$-体ベースのモデルを構築すること。
• SDSS DR7グループカタログからの観測された星質量関数（SMF）および星形成シーケンス（SFS）と比較するため、ABC-PMCの尤度フリー推論フレームワークを用いること。
• 赤方偏移の進化と勾配をパrameter化することで、観測されたSFSと整合する星形成歴を一貫してモデル化すること。
• $t_{\text{duty}}$（星形成の稼働時間スケール）と$r$（SFRとハロー降着の相関係数）を変化させ、$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$に与える影響を調査すること。
• ハロー占有モデル、銀河クラスタリング、衛星運動論、弱レントゲン効果からの観測的制約と比較して、モデル予測のSHMR散らばりを評価すること。
• 初期の$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$を$z=1$で変動可能にすることで、TNGシミュレーションにおける観測された0.35から0.2 dexへの進化を再現するためのモデルの頑健性をテストすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成変動の timescale（$t_{\text{duty}}$）は、$M_h = 10^{12}M_\odot$における星質量対ハロー質量関係（SHMR）の散らばりにどのように影響するか？
• RQ2 $z=0$における観測された$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dexを再現するには、星形成とハロー降着歴との相関係数（$r$）がどの程度必要か？
• RQ3 TNGシミュレーションにおける、$z=1$から$z=0$にかけてSHMR散らばりが0.35から0.2 dexに進化する現象を、$t_{\text{duty}}$と$r$を変化させたモデルが再現できるか？
• RQ4 現在の観測的不一致（$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$が0.2から0.35 dexの間で変動）は、物理的パrameter $t_{\text{duty}}$ と $r$ にどのような制約を課えるか？
• RQ5 DESI、PFS、WAVESなどの近い将来の調査は、より正確なSHMR散らばり測定により、$t_{\text{duty}}$ と $r$ の制約をどのように向上させるか？

主な発見

• 星形成の稼働時間スケールが短いほどSHMRの散らばりは小さくなる：$t_{\text{duty}} = 10$ Gyrでは$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$は0.32 dexから、$t_{\text{duty}} = 0.1$ Gyrでは0.26 dexに低下する。
• 相関係数$r = 0.99$の場合、$z=0$における$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dexを再現するには$t_{\text{duty}} \leq 1.5$ Gyrが必要である。$r \sim 0.6$の場合、$t_{\text{duty}} \lesssim 0.2$ Gyrが必須となる。
• TNGシミュレーションにおける$z=1$から$z=0$へのSHMR散らばりの進化（0.35から0.2 dex）を再現するには、$t_{\text{duty}} = 0.1$ Gyrおよび$r > 0.5$が必要である。
• $r$が低い場合、$t_{\text{duty}}$を最小の0.1 Gyrにしても、$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dexを再現できないため、$r$に強く依存していることが示唆される。
• 現在の$z=0$および$z=1$における$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$の観測的不一致が、$t_{\text{duty}}$と$r$の精密な制約の主な障壁のままである。
• SHMRの散らばりは、とりわけ低質量ハロー領域において銀河形成物理学の感受性の高いプローブであり、近い将来の調査（DESI、PFS、WAVES）によって、$t_{\text{duty}}$と$r$の制約が著しく向上する。