[論文レビュー] Cosmic Dawn II (CoDa II): a new radiation-hydrodynamics simulation of the self-consistent coupling of galaxy formation and reionization

Pierre Ocvirk, Dominique Aubert+11 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 102被引用数 2

ひとこと要約

Cosmic Dawn II (CoDa II) は、94 Mpc のボックスを用い、4096³ 個の粒子およびセルを用いて、z ≈ 10 から z < 6 の間の銀河形成および宇宙再電離を大スケールかつ自己整合的な放射流体力学的シミュレーションで行っている。CoDa I に対して、小スケール星形成モデルの再キャリブレーションにより、再電離を z ≳ 6 に前倒し、観測されたリプマンアルファ吸収率および CMB 光学的厚さと一致させるとともに、高赤方偏移観測と整合する UV 絶対等級関数を予測し、銀のへっぽう銀河および M31 が個別に孤立して再電離されたことを示している。

ABSTRACT

Cosmic Dawn II (CoDa II) is a new, fully-coupled radiation-hydrodynamics simulation of cosmic reionization and galaxy formation and their mutual impact, to redshift $z < 6$. With $4096^3$ particles and cells in a 94 Mpc box, it is large enough to model global reionization and its feedback on galaxy formation while resolving all haloes above $10^8$ M$_{\odot}$. Using the same hybrid CPU-GPU code RAMSES-CUDATON as CoDa I in Ocvirk et al. (2016), CoDa II modified and re-calibrated the subgrid star-formation algorithm, making reionization end earlier, at $z \gtrsim 6$, thereby better matching the observations of intergalactic Lyman-alpha opacity from quasar spectra and electron-scattering optical depth from cosmic microwave background fluctuations. CoDa II predicts a UV continuum luminosity function in good agreement with observations of high-z galaxies, especially at $z = 6$. As in CoDa I, reionization feedback suppresses star formation in haloes below $\sim 2 imes 10^9$ M$_{\odot}$, though suppression here is less severe, a possible consequence of modifying the star-formation algorithm. Suppression is environment-dependent, occurring earlier (later) in overdense (underdense) regions, in response to their local reionization times. Using a constrained realization of $\Lambda$CDM constructed from galaxy survey data to reproduce the large-scale structure and major objects of the present-day Local Universe, CoDa II serves to model both global and local reionization. In CoDa II, the Milky Way and M31 appear as individual islands of reionization, i.e. they were not reionized by the progenitor of the Virgo cluster, nor by nearby groups, nor by each other.

研究の動機と目的

• 大スケールの宇宙論的体積において、銀河形成と宇宙再電離の自己整合的結合をモデル化すること。
• 再電離に関する観測的制約によりよく一致させるために、小スケール物理を再キャリブレーションすることで、以前のシミュレーションを改善すること。
• 再電離の環境依存性と低質量銀河形成へのその影響を調査すること。
• 局所宇宙の再電離歴史、特に銀のへっぽう銀河および M31 を、制約付き初期条件を用いてシミュレートすること。

提案手法

• シミュレーションは、94 Mpc の共動体積で重力、流体力学、放射線輸送を解くハイブリッド CPU-GPU コード RAMSES-CUDATON を使用している。
• z ≳ 6 でより早い再電離を再現できるように、調整済みの小スケール星形成アルゴリズムを含んでいる。
• 星からの電離放射線をモデル化するために、周波数平均化・多周波数アプローチを用いて放射線輸送を解いている。
• 局所銀河調査データを用いて初期条件を制約し、現在の局所宇宙の大型構造および主要対象を再現している。
• すべてのハロが 10⁸ M⊙ 以上に解像され、宇宙間媒体の電離状態が高空間・高時間分解能で追跡されている。
• UV 絶対等級関数は、明るさの8桁にわたって計算され、体積全体における電離のタイミングを可視化する再電離マップが生成されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小スケール星形成モデルの再キャリブレーションが、大スケールシミュレーションにおける宇宙再電離のタイミングおよび形態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 再電離フィードバックは、低質量ハロ（M < 2 × 10⁹ M⊙）における星形成をどの程度抑制するか？ これは環境に依存するか？
• RQ3 このシミュレーションは、観測された宇宙間リプマンアルファ吸収率および CMB 電子散乱光学的厚さを再現できるか？
• RQ4 銀のへっぽう銀河および M31 は、孤立した再電離の島として再電離したのか、それとも、バービョクラスターや近隣の団など周囲の大規模構造の影響を受けていたのか？
• RQ5 z = 6 における予測された UV 絶対等級関数は、現在の高赤方偏移銀河観測データとどの程度一致するか？

主な発見

• CoDa II では再電離が z ≳ 6 で終了しており、クェーサー分光法および宇宙マイクロ波背景からの制約と一致しており、以前の CoDa I シミュレーションを改善している。
• CoDa II における UV 継続スペクトル絶対等級関数は、z = 6 で観測データと一致しており、とくに明るさが小さい領域で顕著である。
• 再電離フィードバックは、約 2 × 10⁹ M⊙ 未満のハロにおける星形成を抑制するが、再キャリブレーションされた星形成モデルのおかげで、CoDa I よりも抑制効果が弱い。
• 過密度領域に位置する銀河は、低密度領域の銀河よりも早く星形成を停止しており、これは局所的再電離のタイミングを反映している。
• 銀のへっぽう銀河および M31 は、再電離の個別的な島として特定されており、バービョクラスターや近隣の団、あるいは互いの影響を受けて再電離されたわけではないことが示唆されている。
• このシミュレーションは、電離UV背景が低質量領域における星形成率–ハロ質量関係を急峻にしなす要因となり、その効果が放射フィードバックと明確に関連していることを示している。