[論文レビュー] Galaxy formation

Joseph Silk, Arianna Di Cintio+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2013

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 8

ひとこと要約

このレビューは、星形成、フィードバック機構、およびダークマターと超大質量ブラックホールの役割に焦点を当て、銀河形成の現在の理論と観測的課題を統合的に検討する。未解決の問題として、矮星銀河におけるクッション・コア問題、太陽系衛星系における「大きすぎるが生き残れない」問題、そして大質量銀河における星形成の非効率性を挙げ、フィードバックおよびバリオン物理学が主要な解決策であると提言する。

ABSTRACT

Galaxy formation is at the forefront of observation and theory in cosmology. An improved understanding is essential for improving our knowledge both of the cosmological parameters, of the contents of the universe, and of our origins. In these lectures intended for graduate students, galaxy formation theory is reviewed and confronted with recent observational issues. In Lecture 1, the following topics are presented: star formation considerations, including IMF, star formation efficiency and star formation rate, the origin of the galaxy luminosity function, and feedback in dwarf galaxies. In Lecture 2, we describe formation of disks and massive spheroids, including the growth of supermassive black holes, negative feedback in spheroids, the AGN-star formation connection, star formation rates at high redshift and the baryon fraction in galaxies.

研究の動機と目的

• 最近の観測的制約を踏まえた銀河形成に関する現在の理論的理解を統合すること。
• シミュレーションと観測の間の主要な不一致、たとえば矮星銀河の過剰予測やクッション・コア問題を扱うこと。
• 星形成の規制および銀河構造の形成に寄与するフィードバック、特に超新星とAGNフィードバックの役割を調査すること。
• 銀河の明るさ関数の起源および宇宙時間にわたる銀河内のバリオン分率を検討すること。
• シミュレートされた銀河進化と観測されたダウンサイズおよび色-等級関係を調和させる課題を探索すること。

提案手法

• 初期質量関数（IMF）とその銀河の明るさおよび金属増加に与える影響をレビューする。
• 星形成の開始をガス雲の重力不安定性に適用するためのジェインズの基準を適用する。
• 収縮および星形成の時間スケールとして、自由落下時間 $ t_{ff} \simeq 1/\sqrt{G\rho} $ を用いる。
• 不安定性の成長条件を決定するための分散関係 $ \omega^2 = k^2 v_s^2 - 4\pi G\rho $ を分析する。
• 半アナリティカルモデルにフィードバック規定を統合し、観測された明るさ関数および星形成率に一致させる。
• AGNフィードバックおよび銀河のフォンテンの役割がバリオン含量およびディスク構造をどのように規制するかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜシミュレーションでは観測より多くの矮星銀河を予測するのか、そしてなぜそれらの中心的ダークマター分布が観測結果と異なるのか？
• RQ2 ミルキーウェイの衛星系において「大きすぎるが生き残れない」問題を解決するメカニズムは何か？
• RQ3 超新星およびAGNフィードバックは、星形成効率を規制し、大質量銀河の過剰生成を防ぐためにどのように機能するのか？
• RQ4 なぜ観測された銀河内のバリオン分率が宇宙平均よりも顕著に低いのか？
• RQ5 高赤方偏移における星形成のダウンサイズおよび金属量の変化をどのように説明できるか？

主な発見

• フィードバックおよび進化した星族モデルを含めない限り、観測された銀河明るさ関数はシミュレーションでうまく再現されない。
• 超新星フィードバックは矮星銀河の中心的ダークマター密度を低下させることができるが、「大きすぎるが生き残れない」問題を解決するには不十分である。
• AGNフィードバックおよびバーリア・ショックは、大質量ハローにおける冷たいガス降着を防ぎ、星形成のダウンサイズと冷たいガスの欠如を説明する可能性がある。
• 銀河内のバリオン分率は宇宙平均よりも顕著に低く、その大部分はおそらく周銀河媒体に貯留されている。
• 超新星によって駆動される銀河のフォンテンは、ガスをディスクに戻すことができ、ミルキーウェイのような銀河の現在の星形成率を維持するのに役立つ。
• 改善されたモデルでさえ、特に $ z \sim 0.5 $ における青銀河の数を予測する点で、シミュレーションと観測の明るさ関数の不一致は依然として残っている。