[論文レビュー] Imprints of the cosmic void evolution on the baryon processes inside galaxy haloes

Agustín M. Rodríguez-Medrano, Dante J. Paz+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 55被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、高解像度の流体ダイナミクスズームインシミュレーションを用いて、宇宙空洞の巨視的力学的状態—拡張（R型）対照収縮（S型）—が銀河ハロー内のバリオン過程に与える影響を調査した。その結果、拡張空洞に存在するハローは、よりゆっくりと質量集積を示し、バリオン質量および星形成質量が低く、ガス凝縮および高温ガス分率も低減していることが判明した。これは、空洞の力学的状態が環境フィードバック機構を通じてハロー進化を制御していることを示している。

ABSTRACT

Cosmic voids provide a unique environment to study galaxy formation and evolution. In this paper, we analyse a set of hydrodynamic zoom-in simulations of voids, to analyse in detail their inner structures. These voids were identified in a cosmological simulation and classified according to their surrounding dynamics at very large scales: whether they are in expansion or contraction at their outskirts. We study how these environments and the dynamics of voids impact the baryonic processes inside haloes and their mechanisms of formation and evolution. We find an under-abundance of processed gas within the voids that can be associated with the lack of massive haloes. By studying the dynamical phase-space diagram of haloes and the halo-particle correlation function, we find that haloes inside of contracting voids are slightly affected by the presence of bigger structures, in comparison to haloes in the inner regions of expanding voids. Consistent signals are obtained both when using dark matter and gas particles. We show that the halo assembly depends on the void dynamical state: haloes in expanding voids assemble slowly than those in contracting voids and in the general universe. This difference in the assembly impacts the baryonic evolution of haloes. Overall the redshift range analysed, haloes in voids have less baryon content than haloes in the general universe and particularly at z = 0 less stellar content. Our results suggest that the large scale void environment modulate the baryonic process occurring inside haloes according to the void dynamical state.

研究の動機と目的

• 宇宙空洞の巨視的力学的状態が、埋め込まれた銀河ハロー内のバリオン過程に与える影響を調査すること。
• 空洞が拡張（R型）か収縮（S型）かによって、ハロー形成、ガス進化、星形成効率に差が生じるかどうかを特定すること。
• 高解像度の流体ダイナミクスシミュレーションを用いて、ハローの集積歴、バリオン分率、ガス相分率への空洞ダイナミクスの影響を評価すること。
• 一般の宇宙ネットワークと比較して、空洞環境およびその力学的性質が果たす役割を分離して評価すること。

提案手法

• 500 h⁻¹ Mpcのボックスサイズ、512³個の粒子を有する大規模なダークマターのみの宇宙論的シミュレーションを実施し、空洞およびその周囲の巨視的構造を同定した。
• 密度対比プロファイルを用いて、空洞の力学的分類（R型：壁が拡張、低密度周囲；S型：壁が収縮、高密度周囲）を実施した。
• 選択された空洞領域に対して、高解像度の流体ダイナミクスズームインシミュレーションを実施し、内部のハローおよびガス構造を空間的・質量的高解像度で解像した。
• マージンツリーおよび位相空間図を用いて、ハローの形成・進化を追跡し、力学的状態および降着歴を分析した。
• 赤方偏移に応じたガス相分率（凝縮、高温、処理済み）および星形成質量の進化を、R型とS型空洞および一般宇宙の基準サンプルと比較して分析した。
• GIZMOコードを用い、メッシュの適応的細分化と滑らかく粒子流体力学（SPH）を組み合わせ、ΛCDM宇宙論における重力、流体力学、星形成をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙空洞の巨視的力学的状態（拡張対照収縮）が、銀河ハローの集積歴にどのように影響を与えるか？
• RQ2 R型とS型空洞に存在するハローの間で、バリオン含量、ガス相分率、星形成質量にどのような差が生じるか？
• RQ3 一般の宇宙ネットワークと比較して、空洞環境が星形成効率およびガス凝縮に及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 ハローの集積時間と空洞タイプおよび赤方偏移の相関関係は何か？ これはバリオン進化にどのような含意をもたらすか？
• RQ5 観測されたハロー特性の差は、大規模構造の力学的要因に起因するのか、それとも局所的密度に起因するのか？

主な発見

• R型（拡張）空洞に存在するハローは、S型（収縮）空洞および一般宇宙のハローと比較して、質量増加が著しく遅く、赤方偏移z < 1.2の領域で顕著な遅延が観測された。
• z = 0におけるハローでは、同様のハロー質量において一般宇宙のハローと比較して、空洞内のハローは約10%の星形成質量が不足しており、特にR型空洞で顕著であった。
• R型空洞のハローはバリオン分率が低く、凝縮ガス分率も低減しており、ガス凝縮および星形成効率が抑制されていることが示された。
• 高温ガス分率はR型空洞でわずかに高く、S型空洞ではより高い傾向にあり、大規模構造ダイナミクスに結びつく降着メカニズムの違いを示唆している。
• 高赤方偏移（z > 0.75）では、空洞と一般宇宙のハロー間の星形成質量の差が小さくなるが、z ~ 0.4におけるR型空洞のハローではわずかに高い星形成質量を示す傾向が顕在した。
• ハロー粒子相関関数および位相空間図から、S型空洞では周囲の高密度構造からの影響が顕著に強く、大規模な流れの信号が強まっていることが示された。