[論文レビュー] Galactic outflows and the kinematics of damped Lyman alpha absorbers

Sungryong Hong, Neal Katz+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2010

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ヒューリスティックな銀河外流を用いた高解像度の宇宙論的流体力学的シミュレーションを用い、z=3における観測された広帯域Damped Lyman-alpha吸収体（DLA）の運動学的特性を、従来のモデルが再現できなかったことに基づき、運動量駆動型外流モデルがその再現に成功することを示している。主な結果は、外流が小さな衛星銀河からのガスの放出を引き起こし、質量の大きなハローの断面積を拡大することで、広帯域DLAの割合を増加させることにある。

ABSTRACT

The kinematics of damped Lyman alpha absorbers (DLAs) are difficult to reproduce in hierarchical galaxy formation models, particularly the preponderance of wide systems. We investigate DLA kinematics at z=3 using high-resolution cosmological hydrodynamical simulations that include a heuristic model for galactic outflows. Without outflows, our simulations fail to yield enough wide DLAs, as in previous studies. With outflows, predicted DLA kinematics are in much better agreement with observations. Comparing two outflow models, we find that a model based on momentum-driven wind scalings provides the best match to the observed DLA kinematic statistics of Prochaska & Wolfe. In this model, DLAs typically arise a few kpc away from galaxies that would be identified in emission. Narrow DLAs can arise from any halo and galaxy mass, but wide ones only arise in halos with mass >10^11 Mo, from either large central or small satellite galaxies. This implies that the success of this outflow model originates from being most efficient at pushing gas out from small satellite galaxies living in larger halos. This increases the cross-section for large halos relative to smaller ones, thereby yielding wider kinematics. Our simulations do not include radiative transfer effects or detailed metal tracking, and outflows are modeled heuristically, but they strongly suggest that galactic outflows are central to understanding DLA kinematics. An interesting consequence is that DLA kinematics may place constraints on the nature and efficiency of gas ejection from high-z galaxies.

研究の動機と目的

• 階層的銀河形成モデルが観測されたDamped Lyman-alpha吸収体（DLA）の広帯域速度広がりを再現できないという継続的な失敗を解消すること。
• 高赤方偏移における宇宙論的シミュレーションにおいて、銀河外流がDLAの運動学的特性に与える影響を調査すること。
• 外流モデルが観測されたDLA速度幅の統計的分布、特に顕著な広帯域系の尾部を自然に生成できるかどうかを特定すること。
• ハロー質量および銀河タイプ（中心銀河対衛星銀河）が、異なる外流規定のもとで広帯域DLAを生成する役割を評価すること。

提案手法

• z=3における銀河形成の高解像度の宇宙論的流体力学的シミュレーションを実施し、銀河外流のヒューリスティックモデルを導入する。
• エネルギー駆動型スケーリングと運動量駆動型外流スケーリングの2つの外流モデルを実装する。
• H I吸収系でN_HI > 2×10^20 cm⁻² であるものを特定し、ハローのvirial速度に対して相対的な速度幅を分析することでDLAの運動学的特性を測定する。
• Prochaska & Wolfe (1997) の観測データ、特に広帯域系の尾部と、シミュレートされたDLA速度幅分布を比較する。
• ハロー質量関数を用い、DLA断面積をv_vir^3にスケーリングすることで、外流が運動学的分布に与える影響を評価する。
• DLAの空間的および力学的起源を分析し、中心銀河からのずれやハロー質量、銀河タイプに依存する傾向に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ標準的な階層的モデルでは、DLA運動学的特性における観測された広帯域速度広がりを再現できないのか？
• RQ2 特に運動量駆動型外流が、シミュレーションと観測の間のDLA速度分布の不一致を解消できるか？
• RQ3 ハロー質量および銀河タイプ（中心対衛星）が、外流が存在する状況で広帯域DLAを生成する役割は何か？
• RQ4 外流は、特に低質量系において、ハローの有効断面積をどのように変化させるか？
• RQ5 外流は、ハロー構造や質量関数に不自然な修正を加えずに、観測された運動学的統計をどの程度説明できるか？

主な発見

• 銀河外流が存在しない場合、シミュレーションでは広帯域DLA系が十分に生成されず、観測との間で長年の不一致が再現される。
• 運動量駆動型外流モデルは、Prochaska & Wolfe (1997) が報告した観測された速度幅分布と非常に良好に一致するDLA運動学的特性を生成する。
• 広帯域DLAは主に質量 ≥ 10^11 M☉ のハローから生じており、特に大きなハロー内の小さな衛星銀河から生じる。これは、これらの系からのガス効率的排出に起因する。
• 外流は、小さな衛星銀河からのガスを押し出し、質量の大きなハローの有効断面積を拡大することで、広帯域DLA形成の確率を高めている。
• 狭帯域DLAはあらゆる質量のハローで形成可能であるが、広帯域DLAは質量の大きなハローと強く相関しており、外流が活性化している場合にのみ生成される。
• 運動量駆動型モデルの成功は、外流が単なる副産物ではなく、DLA運動学的特性を形作る根本的なメカニズムであり、高赤方偏移銀河フィードバックの効率を制約する可能性を示唆している。