[論文レビュー] Forward-modelling the Luminosity, Distance, and Size distributions of the Milky Way Satellites

Viraj Manwadkar, Andrey V. Kravtsov|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 201被引用数 49

ひとこと要約

本論文では、GRUMPY前方モデルフレームワークを用いて、Caterpillarズームインシミュレーション内でのMilky Way衛星銀河の明るさ、距離、サイズ分布をシミュレートする。DES、PS1、SDSSの観測分布を、オーファン銀河モデルを必要とせず再現できた。300 kpc圏内でのMV < 0およびr1/2 > 10 pcを満たす衛星は440+201−147個と予測され、再電離の影響によって低質量ハローでのM★−Mpeak関係が平坦化され、低質量ハローに多数の明るさの小さい銀河が存在する理由が説明された。

ABSTRACT

We use exttt{GRUMPY}, a simple regulator-type model for dwarf galaxy formation and evolution, to forward model the dwarf galaxy satellite population of the Milky Way (MW) using the Caterpillar zoom-in simulation suite. We show that luminosity and distance distributions of the model satellites are consistent with the distributions measured in the DES, PS1 and SDSS surveys, even without including a model for the orphan galaxies. We also show that our model for dwarf galaxy sizes can simultaneously reproduce the observed {\it distribution} of stellar half-mass radii, $r_{1/2}$, of the MW satellites and the overall $r_{1/2}-M_\star$ relation exhibited by observed dwarf galaxies. The model predicts that some of the observed faint stellar systems with $r_{1/2}<10$ pc are ultra-faint dwarf galaxies. Scaling of the stellar mass $M_\star$ and peak halo mass $M_{ m peak}$ for the model satellites is not described by a power law, but has a clear flattening of $M_\star-M_{ m peak}$ scaling at $M_{ m peak}<10^8\,M_\odot$ imprinted by reionization. As a result, the fraction of low mass haloes ($M_{ m peak} < 10^8\, M_\odot$) hosting galaxies with $M_V<0$ is predicted to be 50% at $M_{ m peak} \sim 3.6 imes 10^7\,M_\odot$. We find that such high fraction at that halo mass helps to reproduce the number of dwarf galaxies discovered recently in the HSC-SSP survey. Using the model we forecast that there should be the total of $440^{+201}_{-147}$ (68\% confidence interval) MW satellites with $M_V < 0$ and $r_{1/2} > 10$ pc within 300 kpc and make specific predictions for the HSC-SSP, DELVE-WIDE and LSST surveys.

研究の動機と目的

• 前方モデル手法を用いて、Milky Way衛星銀河の明るさ、距離、サイズ分布をモデル化すること。
• シンプルなレギュレータ型モデル（GRUMPY）が、オーファン銀河を含まない状況でもDES、PS1、SDSSの観測分布を再現できるかどうかを検証すること。
• 再電離が星形成歴史とその後の衛星銀河の性質に与える影響を調査すること。
• HSC-SSP、DELVE-WIDE、LSSTなどの今後の調査で検出可能な衛星の数を予測すること。
• 降着過程のフィードバックプロセスが、明るさ関数のふち部分および矮星銀河のサイズ-質量関係に与える影響を評価すること。

提案手法

• GRUMPYモデルを用いて、星形成歴史とピークハローマス（Mpeak）との関係をレギュレータ型フィードバック仕様で結びつけることで、矮星銀河の形成と進化をシミュレートする。
• モデルは、MW質量のハローに対して高分解能のダークマターおよびバリオン構造を提供するCaterpillarズームインシミュレーションスイートに適用される。
• モデルは、衛星の明るさ関数、距離分布、および星形成半質量半径（r1/2）を予測し、DES、PS1、SDSSの観測データと照合する。
• 再電離フィードバックにより、Mpeak < 10^8 M⊙の低質量ハローではM★−Mpeak関係が平坦化されることが判明した。
• 68%信頼区間を用いて、300 kpc圏内でのMV < 0およびr1/2 > 10 pcを満たす衛星の数を予測する。
• 観測的制約は、Vasilievら（2021）、Deason ら（2021）、Shen ら（2022）の質量推定値を用い、MW質量の仮定にかかわらず結果が安定していることが示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンプルなレギュレータ型モデルが、オーファン銀河モデルを含まない状況でも、Milky Way衛星の観測された明るさおよび距離分布を再現できるか？
• RQ2 再電離フィードバックが、低質量ハローでM★−Mpeak関係に平坦化をもたらす仕組みは何か？ その影響は明るさ関数のふち部分にどのように現れるか？
• RQ3 モデルが、Milky Way衛星の星形成半質量半径（r1/2）の観測分布およびr1/2−M★関係をどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 300 kpc圏内でのMV < 0およびr1/2 > 10 pcを満たすMilky Way衛星の予測数は何か？ 今後の調査の期待値と比較するとどうなるか？
• RQ5 なぜMpeak < 10^8 M⊙の低質量ハローのうち、MV < 0を満たす銀河を有する割合が非常に高い（Mpeak ∼3.6×10^7 M⊙で50%）のか？ これは観測された衛星集団にどのような影響を与えるか？

主な発見

• GRUMPYモデルは、オーファン銀河モデルを必要とせず、DES、PS1、SDSSの観測された明るさおよび距離分布を成功裏に再現した。
• モデルは、Mpeak ∼3.6×10^7 M⊙のハローの50%がMV < 0を満たす銀河を有すると予測しており、これは再電離フィードバックが低質量ハローでの星形成を抑制するためである。
• 再電離の影響により、Mpeak < 10^8 M⊙の領域でM★−Mpeakスケーリング関係が平坦化され、これは観測された明るさの小さい衛星の数を説明するために不可欠である。
• モデルは、Milky Way衛星の星形成半質量半径（r1/2）の観測分布と、矮星銀河全体に見られる広い範囲のr1/2−M★関係を同時に再現した。
• モデルは、300 kpc圏内でのMV < 0およびr1/2 > 10 pcを満たすMilky Way衛星の合計数が440+201−147個であると予測し、HSC-SSP、DELVE-WIDE、LSST調査の具体的な予測を提供した。
• モデルは、r1/2 < 10 pcの明るさの小さい系を超微弱矮星銀河として同定し、観測された性質と理論的期待（初期の金属欠乏型星形成）と整合的であった。