[論文レビュー] Galaxy Formation: Where Do We Stand?

Christopher J. Conselice|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

このレビューは、z ≈ 0 から z ≈ 10 の範囲で銀河形成に関する観測的制約を統合し、質量の大きな銀河（M* > 10¹¹ M☉）において、z = 1–3 の間に合体と寒冷ガス降着が質量生成に同等に重要であることを示している。また、宇宙論的シミュレーションと観測結果の間には一貫した不一致—特に質量の大きな銀河の数密度や合体率の面で—が存在し、モデルの改善と、JWST、Euclid、SKA、ELTs の今後のデータによって、銀河進化の未解決問題を解消する必要があることを強調している。

ABSTRACT

This paper presents a review of the topic of galaxy formation and evolution, focusing on basic features of galaxies, and how these observables reveal how galaxies and their stars assemble over cosmic time. I give an overview of the observed properties of galaxies in the nearby universe and for those at higher redshifts up to z~10. This includes a discussion of the major processes in which galaxies assemble and how we can now observe these - including the merger history of galaxies, the gas accretion and star formation rates. I show that for the most massive galaxies mergers and accretion are about equally important in the galaxy formation process between z = 1-3, while this likely differs for lower mass systems. I also discuss the mass differential evolution for galaxies, as well as how environment can affect galaxy evolution, although mass is the primary criteria for driving evolution. I also discuss how we are beginning to measure the dark matter content of galaxies at different epochs as measured through kinematics and clustering. Finally, I review how observables of galaxies, and the observed galaxy formation process, compares with predictions from simulations of galaxy formation, finding significant discrepancies in the abundances of massive galaxies and the merger history. I conclude by examining prospects for the future using JWST, Euclid, SKA, and the ELTs in addressing outstanding issues.

研究の動機と目的

• 近赤方偏移から z ≈ 10 までの宇宙時間にわたる銀河形成と進化に関する現在の観測的制約を統合すること。
• z = 1–3 の質量の大きな銀河における星形成質量の蓄積に、合体とガス降着の相対的役割を明確にすること。
• 宇宙論的シミュレーション（例：ミレニアム・シミュレーション）と観測された銀河の数密度および合体歴の間の持続的な不一致を特定すること。
• 質量、環境、およびダークマターが銀河進化をどのように駆動しているかを評価すること。
• JWST、Euclid、SKA、ELTs による今後の観測の可能性を概説し、銀河形成における未解決問題を解消する手がかりを示すこと。

提案手法

• SDSS、GAMA、CANDELS、UKIDSS UDS、VISTA などの多波長調査を分析し、z ≈ 10 までに及ぶ銀河の星形成質量、光度、形態、運動学的性質を測定すること。
• 高赤方偏移銀河画像からの形態的分解と合体率の測定を用いて、合体歴を推定すること。
• 運動学的およびクラスタリング測定を応用し、異なる宇宙時代における銀河のダークマター含量を推定すること。
• 観測された銀河のスケーリング関係、星形成質量関数、および合体率を、寒冷ダークマター（CDM）シミュレーションの予測と比較すること。
• 積分フィールドユニット（IFU）分光法（例：VLT 上の KMOS）と今後の ELT 調査を用いて、遠方銀河の空間分解された運動学的性質を取得すること。
• 重力レンズ効果と深紫外画像を統合し、z > 10 の最初の銀河を探索すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z = 1 から z = 3 の間に、質量の大きな銀河の星形成質量を構築する主なメカニズムは、合体かガス降着のどちらか？
• RQ2 高赤方偏移における観測された合体率と銀河の数密度は、ミレニアム・シミュレーションのような CDM シミュレーションの予測とどのように比較されるか？
• RQ3 質量、環境、ダークマター含量が銀河進化を支配する程度はどの程度か。特に、質量が主な駆動要因であるとされるか？
• RQ4 なぜ CDM モデルは、z > 2 で log M* > 11 の銀河の数密度を最大で10倍まで系として低予測してしまうのか？
• RQ5 JWST、Euclid、SKA、ELTs といった今後の施設が、銀河形成における観測とシミュレーションの不一致をどのように解消する役割を果たすのか？

主な発見

• 質量の大きな銀河（M* > 10¹¹ M☉）において、z = 1 から z = 3 の間に合体と寒冷ガス降着が、質量生成にほぼ同等に寄与している。
• この時代における質量の大きな銀河の形成において、マイナー合体はメジャーアイテムと同等に重要である。
• ミレニアム・シミュレーションは、メジャーアイテム合体の数を約10倍低予測しており、z > 2 での質量の大きな銀河の数密度の低予測と一致している。
• 観測では、質量の大きな銀河の星形成質量蓄積歴が、標準的な CDM シミュレーションでは完全に捉えられていないことが示されており、バリオンのフィードバックや合体の記述に欠落した物理的要因があると示唆している。
• 運動学的およびクラスタリング測定は、さまざまな赤方偏移における銀河のダークマター含量を制限し始めているが、正確な測定は依然として困難である。
• 今後の機器、例えば JWST、Euclid、SKA、ELTs は、高分解能の運動学的およびガス含量測定を可能にする深紫外・広域調査を提供することで、主要な不確実性を解消すると予想されている。