[論文レビュー] Dwarf stellar haloes: a powerful probe of small-scale galaxy formation and the nature of dark matter

Sownak Bose, Azadeh Fattahi+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 95被引用数 38

ひとこと要約

本稿では、N体宇宙論的シミュレーションと経験的銀河モデルを用いて、矮小星族ハローが小スケール銀河形成およびダークマター物理学の感受性の高いプローブであることを示している。低質量の矮小銀河では、微小合体が星族ハロー成長を支配しており、中程度の質量比（約1:5）が遠方ハロー形成を最大にする。温かいダークマター（WDM）は微小合体を抑制し、銀河系ハロー内でのスタッキングや位相空間的重複ストリームによる星族ハローの検出が可能である可能性がある。

ABSTRACT

We use N-body cosmological simulations and empirical galaxy models to study the merger history of dwarf-mass galaxies (with Mhalo∼1010M⊙⁠). Our input galaxy models describe the stellar mass–halo mass relation, and the galaxy occupation fraction. The number of major and minor mergers depends on the type of dark matter; in particular, minor mergers are greatly suppressed in warm dark matter models. In addition, the number of mergers that bring in stars is strongly dependent on the galaxy occupation model. For example, minor mergers are negligible for stellar halo growth in models with a high mass threshold for galaxy formation (i.e. 109.3M⊙ at z = 0). Moreover, this threshold for galaxy formation can also determine the relative difference (if any) between the stellar haloes of satellite and field dwarfs. Using isolated simulations of dwarf–dwarf mergers, we show that the relative frequency of major and minor mergers predict very different stellar haloes: Typically, ‘intermediate’ dark matter merger ratios (∼1:5) maximize the growth of distant stellar haloes. We discuss the observability of dwarf stellar haloes and find that the surface brightness of these features are incredibly faint. However, when several dwarfs are stacked together, models that form particularly rich stellar haloes could be detectable. Finally, we show that stellar streams in the Galactic halo overlapping in phase space with known dwarf satellites are likely remnants of their stripped stellar haloes. The mere existence of dwarf stellar haloes can already put constraints on some small-scale models, and thus observational probes should be a high priority.

研究の動機と目的

• 冷たいダークマター（CDM）と温かいダークマター（WDM）の異なるモデル下での矮小星族ハローの形成および進化を調査すること。
• 特に銀河形成のためのハロー質量閾値が星族ハローの性質に与える影響を評価すること。
• 微弱な矮小星族ハローの観測可能性を評価し、実現可能な検出戦略を同定すること。
• 環境的要因および合体歴の違いにより、衛星矮小銀河と中心矮小銀河の星族ハローに差が生じるかどうかを特定すること。
• 既知の矮小衛星と位相空間的に重複する星の流れが、元の銀河の剥がれた星族ハローの痕跡である可能性を検討すること。

提案手法

• 矮小銀河スケール（Mhalo ~10^10 M⊙）のハローおよび銀河の形成をモデル化するため、CDMおよびWDMの初期条件を用いたN体宇宙論的シミュレーション。
• 星族質量-ハロー質量（SMHM）関係および銀河占有率を組み込んだ経験的銀河モデルを用いて、ハローに銀河を割り当てる。
• 矮小銀河同士の合体を独立してシミュレートし、星族ハロー成長が合体質量比および束縛エネルギーにどのように依存するかを調査する。
• スタッキングによる信号対雑音比の向上を含め、表面密度および位相空間解析を用いて星族ハローの検出可能性を評価する。
• z=0における中心矮小銀河と衛星矮小銀河の合体歴およびハロー構造的性質の比較。
• シミュレートされた位相空間的重複（ストリームと生存している矮小銀河の間）を用いて、観測可能性の検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 矮小質量ハローにおいて、冷たいダークマター（CDM）と温かいダークマター（WDM）のモデル下で、合体の頻度および性質（主要合体対微小合体）はどのように異なるか？
• RQ2 銀河形成のためのハロー質量閾値が、矮小星族ハローの成長および構造に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 大半の半径（>0.1 r200）における広がった星族ハロー形成に、主要合体と微小合体のどちらがより大きな寄与をするか？
• RQ4 矮小星族ハローは観測的に検出可能か？スタッキングやストリーム検出などの戦略の中で、最も有望なのはどれか？
• RQ5 既知の銀河系矮小衛星と位相空間的に重複する星の流れは、その起源である銀河の剥がれた星族ハロー由来である可能性が高いか？

主な発見

• 温かいダークマター（WDM）モデルでは微小合体が強く抑制され、冷たいダークマター（CDM）と比較して星族ハロー成長への寄与が小さくなる。
• 中心矮小銀河と衛星矮小銀河の星族ハローの相対的差は、高質量閾値（例：z=0で10^9.3 M⊙）を持つ銀河形成モデルにおいてのみ顕著であり、それ以外では差は小さい。
• 孤立した矮小銀河同士の合体シミュレーションから、中程度の質量比（約1:5）が、大半の距離（>0.1 r200）に星を堆積させるのに最適であることが示された。これは束縛エネルギーと星の質量供給のバランスを最適化する。
• ハロー質量閾値が低く、SMHM関係が浅いモデルでは、特に複数の矮小銀河をスタッキングすることで、観測可能な表面密度特徴を生じやすくなる。
• 既知の矮小衛星と位相空間的に重複する星の流れは、その起源が剥がれた星族ハローである可能性が高く、これらの流れは観測の優先対象である。
• 矮小星族ハローの存在自体が、すでに銀河形成およびダークマターモデルを制約可能であり、特にこのようなハローが観測されない場合、高閾値銀河形成モデルは除外される。