[論文レビュー] Local Group galaxies emerge from the dark

Till Sawala, Carlos S. Frenk+14 more|Liverpool John Moores University|Dec 8, 2014

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 1被引用数 25

ひとこと要約

本研究は、ΛCDMフレームワーク内において、観測された衛星銀河の数を再現し、欠落衛星問題、太陽系外の銀河が大きすぎる問題、および衛星の平面構造問題を解消する、最初のローカル団銀河における宇宙論的流体力学的シミュレーションを提示する。星形成と活動銀河核（AGN）からのフィードバックを含めたバリオン物理学とダークマターを現実的な環境で同時にシミュレートすることで、特にフィードバックが低質量ハローにおける星形成を抑制し、それらを暗くして検出不能にすることを示した。これにより、シミュレーションと観測が一致するようになった。

ABSTRACT

The "Lambda Cold Dark Matter" (LCDM) model of cosmic structure formation is eminently falsifiable: once its parameters are fixed on large scales, it becomes testable in the nearby Universe. Observations within our Local Group of galaxies, including the satellite populations of the Milky Way and Andromeda, appear to contradict LCDM predictions: there are far fewer satellite galaxies than dark matter halos (the "missing satellites" problem), galaxies seem to avoid the largest substructures (the "too big to fail" problem), and the brightest satellites appear to orbit their host galaxies on a thin plane (the "planes of satellites" problem). We present results from the first hydrodynamic simulations of the Local Group that match the observed abundance of galaxies. We find that when baryonic and dark matter are followed simultaneously in the context of a realistic galaxy formation model, all three "problems" are resolved within the LCDM paradigm.

研究の動機と目的

• バリオン物理学を含めた場合に、ΛCDMモデルがローカル団銀河における観測された衛星銀河集団を再現できるかどうかを検証すること。
• 星形成とAGNからのフィードバックが低質量ダークマターハローにおける銀河形成を抑制するメカニズムをモデル化することで、『欠落衛星問題』を解決すること。
• 高質量準銀河がバリオン効果によって光度が極めて低い状態になることで、『太陽系外の銀河が大きすぎる問題』を解消することを示すこと。
• 衛星銀河が大規模構造に沿ってフィラメント上に形成され、それらが大規模構造に沿って整列することを示すことにより、『衛星の平面構造問題』を説明すること。

提案手法

• EAGLEコード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実施し、ミルキーウェイとアンドロメダ系の質量、距離、運動学的特性を再現するように調整した。
• 大スケールのDMOシミュレーション（DOVE）から12のローカル団銀河に類似した領域を選択し、観測された質量、距離（800±200 kpc）、径方向速度（0–200 km/s）、および低速度成分（<100 km/s）に一致するハローを用いた。
• 各領域を3つの解像度レベル（L3、L2、L1）でシミュレートし、最高解像度では主銀河あたり2000万個を超える粒子を使用し、数値収束性を確認した。
• 流体力学的シミュレーションとダークマターのみの（DMO）バージョンを比較することで、バリオンの影響が準構造形成および銀河特性に与える影響を分離した。
• 大規模な宇宙論的体積内での銀河の性質を再現できるようにキャリブレーションされた、星形成およびフィードバックの小スケールモデルを用いた。
• すべての解像度および宇宙論パラメータ（WMAP-7）にわたって同一のEAGLE小スケール物理モデルを適用し、主要な観測量における一貫性と収束性を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ローカル団銀河の流体力学的シミュレーションは、観測された衛星銀河の数を再現できるか。これにより、欠落衛星問題が解消されるか？
• RQ2 星形成やフィードバックなどのバリオン過程が、低質量ダークマター準ハローにおける星形成を抑制することで、『太陽系外の銀河が大きすぎる問題』が解消されるか？
• RQ3 観測された衛星銀河の平面的整列は、大規模構造に沿ったフィラメント構造と、フィラメント上での銀河形成の結果として生じるか？
• RQ4 ΛCDMシミュレーションにバリオン物理学を組み込むことで、ミルキーウェイおよびアンドロメダ系の観測と予測が一致するか？
• RQ5 高解像度でのシミュレーションにおいて、銀河の星質量関数および円運動速度関数は収束しているか。これにより、数値的手法の妥当性が裏付けられるか？

主な発見

• シミュレーションは、ミルキーウェイとアンドロメダの観測された衛星数を再現した：それぞれ300 kpc内に星質量 >10^5 M☉ を有する衛星が20+10−6個および18+8−5個である。
• 『欠落衛星問題』は解消された：多くのダークマター準ハローは、バリオンフィードバックによる星形成抑制のため、非常に暗く検出不能である。
• 『太陽系外の銀河が大きすぎる問題』は解消された：高質量準ハローはバリオン効果により非光度的となり、ガスが排出され銀河形成が阻止された。
• 『衛星の平面構造問題』は、衛星が大規模フィラメントに沿って整列し、それらが主銀河および最も明るい衛星を含む大規模構造に沿って形成されることで説明された。
• L2解像度で、準構造の星質量関数および円運動速度関数は良好に収束しており、結果の信頼性が裏付けられた。
• シミュレートされた銀河は、観測されたローカル団銀河と類似した多バンドカラー画像において、多様な形態、明るさ、色、サイズを示した。