[論文レビュー] Galactic evolutionary path from primeval irregulars to present-day ellipticals

Masao Mori, Masayuki Umemura|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2005

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、初期の不規則銀河から現在の楕円銀河に至る超高解像度の銀河進化シミュレーションを提示している。このシミュレーションは、階層的合体、放射冷却、超新星降着が時間経過とともに銀河に与える影響を示している。シミュレーションは高赤方偏移のリプマンアルファ発光体（LAEs）を再現し、太陽系の金属量を持つリプマンブレイク銀河（LBGs）に進化し、130億年後に楕円銀河に至る。

ABSTRACT

The current understanding of galaxy formation is that it proceeds in a 'bottom up' way, with the formation of small clumps of gas and stars that merge hierarchically until giant galaxies are built up. The baryonic gas loses the thermal energy by radiative cooling and falls towards the centres of the new galaxies, while supernovae (SNe) blow gas out. Any realistic model therefore requires a proper treatment of these processes, but hitherto this has been far from satisfactory. Here we report an ultra-high-resolution simulation that follows evolution from the earliest stages of galaxy formation through the period of dynamical relaxation. The bubble structures of gas revealed in our simulation ($< 3\ imes10^8$ years) resemble closely the high-redshift Lyman $\\alpha$ emitters (LAEs). After $10^9$ years these bodies are dominated by stellar continuum radiation and look like the Lyman break galaxies (LBGs) known as the high-redshift star-forming galaxies at which point the abundance of elements heavier than helium ("metallicity") appears to be solar. After $1.3\ imes10^{10}$ years, these galaxies resemble present-day ellipticals.

研究の動機と目的

• 初期の原始的クラスターから現在の楕円銀河に至る銀河の全進化過程をモデル化すること。
• 放射冷却と超新星降着の現実的な取り扱いを組み込むことで、従来のモデルの欠陥を是正すること。
• 高赤方偏移のリプマンアルファ発光体（LAEs）からリプマンブレイク銀河（LBGs）へ、最終的に巨大楕円銀河に至る観測された遷移を説明すること。
• シミュレートされた銀河内で金属量が13億年以内に太陽レベルに達する仕組みを調査すること。

提案手法

• 銀河形成の初期段階から動的平衡に至るまでの全過程を追跡する超高解像度の宇宙論的シミュレーションを実施すること。
• 放射過程によるバリオンガスの冷却をモデル化し、ガスが銀河中心へ落下することを可能にすること。
• 超新星降着によるガスの銀河からの排出をシミュレートし、星形成の制御と形態の変化を引き起こすこと。
• 観測された高赤方偏移銀河タイプに一致させるために、ガス構造、星形成、金属量の時間的進化を追跡すること。
• 3×10^8年未満の時間スケールで気泡状のガス構造を解像する数値技術を用いること。
• 異なる赤方偏移におけるシミュレートされた銀河の性質を、観測された高赤方偏移のリプマンアルファ発光体（LAEs）およびリプマンブレイク銀河（LBGs）と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原始的ガスクラスターは、階層的合体とフィードバックプロセスを通じて、どのように巨大で安定した銀河に進化するのか？
• RQ2 放射冷却と超新星降着が、高赤方偏移銀河の観測された形態的・スペクトル的進化をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 シミュレートされた銀河は、どの時点でリプマンアルファ発光体（LAE）の特徴からリプマンブレイク銀河（LBG）の特徴に移行するのか？
• RQ4 シミュレートされた銀河内の金属量はどのくらいの速さで太陽レベルに達し、観測結果と一致するのか？
• RQ5 このシミュレーションは、初期の不規則銀河から現在の楕円銀河への構造的・スペクトル的進化を再現できるか？

主な発見

• 3×10^8年未満の時間スケールで形成された気泡状のガス構造は、高赤方偏移のリプマンアルファ発光体（LAEs）に類似している。
• 10^9年後、シミュレートされた銀河は星形成の連続スペクトル放射に支配されるようになり、リプマンブレイク銀河（LBGs）の特徴と一致する。
• 1.3×10^10年後、銀河は現在の楕円銀河と形態的・運動論的に類似した構造に進化する。
• シミュレートされた銀河は、形成後約13億年以内に太陽金属量と一致する金属量に達する。
• このシミュレーションは、現実的なフィードバックと冷却物理を組み込むことで、原始的不規則銀河から巨大楕円銀河への全進化過程を成功裏に再現した。
• 結果として、階層的合体に加え、放射冷却と超新星降着が、高赤方偏移の星形成銀河が静止状態の楕円銀河に至る観測された進化を自然に説明できることを示している。