[論文レビュー] Dark and luminous matter connections. Towards understanding galaxy evolution

P. Mazzei|ArXiv.org|Jan 23, 2004

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、化学光度的合成を組み込んだ滑らかにした粒子法（SPH）シミュレーションを用い、孤立した三軸対称なダークマター・ハローにおける銀河形成を検討した。その結果、渦巻銀河は全質量 ≤10¹² M⊙ かつバリオン体対全質量比 ≈0.1 の系でのみ形成され、明るい銀河形成の臨界質量は ≈10¹¹ M⊙ であり、回転支持と星形成はハロー質量、幾何学的形状、力学的状態に強く依存することが明らかになった。

ABSTRACT

In this review we outline the major points of ab-initio cosmological models focusing on some galaxy evolution unresolved problems. In particular our knowledge of the star formation rate which leads galaxy evolution, i.e. luminosity, colors and dust enrichment, is still very poor. Smoothed particle hydrodynamic simulations including chemo-photometric evolutionary population synthesis models of isolated collapsing systems endowed with triaxial dark matter halos, gas and the star formation switched on, are a useful tool to shed light on several open questions. This approach, which allows a greater particle resolution than a fully consistent cosmological scenario, gives us important insights into connections between dark and luminous matter. Both the initial properties of the halo, as so as its geometry and dynamical state, and total mass of the system, drive the galaxy formation and evolution. In our simple framework spiral galaxies arise only in systems with both a total mass less than 1.e12 solar masses and a critical value of the baryonic-to-total-mass ratio, around its cosmological value, 0.1. For the same value of such a ratio more massive systems host more luminous and redder galaxies, as a consequence of the stronger burst of star formation arising into their halos earlier on. Moreover the star formation does not switch on in the less massive DM halos so that the critical mass to entail a luminous system is 1.e11 solar masses. For a given total mass, higher values of the baryonic-to-total-mass ratio provide galaxies with lower rotational support so that no constraints to the total mass of the system hosting an elliptical galaxy have been derived.

研究の動機と目的

• 孤立系におけるダークマター・ハローの性質と明るい銀河形成の関係を調査すること。
• 単一崩壊シナリオにおける渦巻銀河と楕円銀河の形成条件を特定すること。
• バリオン体対全質量比、ハロー質量、初期の三軸性が銀河進化に与える影響を評価すること。
• 星形成率と回転支持がハローの力学的状態および幾何学的形状にどのように依存するかを調査すること。
• 高解像度SPHシミュレーションを用いて、角運動量の問題や過冷却問題といった未解決の銀河進化の問題に新たな知見を提供すること。

提案手法

• ガスおよび星形成を有効化した孤立系の三軸的崩壊ダークマター・ハローに対する滑らかにした粒子法（SPH）シミュレーションを実施した。
• 化学光度的進化パopulation合成モデルを統合し、UVから近赤外Kバンドまでのスペクトルエネルギー分布（SED）を計算した。
• 主なパラメータを変化させた：全ハロー質量（M_tot）、バリオン体対全質量比（M_bar/M_tot）、初期の三軸性、スピンパラメータ（λ）、星形成 timescale（τ）。
• 星形成率（SFR）、回転エネルギー対運動エネルギー比（回転支持）、統合的銀河特性（色、明るさ、金属量）の時間発展を追跡した。
• 宇宙論的シミュレーションの限界を克服するため、高粒子解像度を用い、ハローおよびバリオン体効果を分離するため孤立系に焦点を当てた。
• 観測データとの比較を通じて、モデル予測の妥当性を検証した（銀河の色、金属量、TF関係など）。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 明るい銀河を形成するためのダークマター・ハローの臨界全質量は何か？
• RQ2 バリオン体対全質量比は、渦巻銀河と楕円銀河の形成にどのように影響するか？
• RQ3 ダークマター・ハローの初期幾何学的形状および力学的状態は、星形成活動および回転支持にどのような役割を果たすか？
• RQ4 シミュレーションで得られた銀河の色、金属量、明るさは、観測された局所銀河とどのように一致するか？
• RQ5 孤立系の単一崩壊シミュレーションは、実際の銀河のTully-Fisher関係および質量光度比を再現できるか？

主な発見

• 渦巻銀河は全質量 ≤10¹² M⊙ かつバリオン体対全質量比 ≈0.1 の系でのみ形成され、宇宙論的値と整合的である。
• 明るい銀河形成の臨界ハロー質量は ≈10¹¹ M⊙ であり、これ未満では星形成が発生しない。
• より質量の大きなハローでは、早期かつ強い星形成バーストが発生し、赤色で明るく、金属量の高い銀河が形成される。
• バリオン体対全質量比が高いほど、バリオン系における回転支持が低下し、楕円銀河形成が促進される。
• 棒状のハロー形状および高いスピンパラメータは、星形成を遅らせ、回転支持を低下させ、矮星銀河や不規則銀河の形成を促進する。
• シミュレーションで得られたTully-Fisher関係および銀河の色・金属量は、局所銀河の観測値と、形態タイプにわたって一致している。