[論文レビュー] Massive disc galaxies in cosmological hydrodynamical simulations are too dark matter-dominated

Antonino Marasco, Lorenzo Posti+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 67被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、EAGLEおよびIllustrisTNGの宇宙論的流体力学的シミュレーションにおける巨大な円盤銀河を、SPARCデータセットの観測済みH i回転曲線と比較した。シミュレートされた円盤は観測されたものよりも顕著にダークマターに支配されており、全半径にわたり星形成物質対全質量比が1.5–2倍低く、過剰に強いフィードバックによるバリオンから星への変換効率の低さが原因で、『フィードバック失敗問題』のコアな側面が示された。

ABSTRACT

We investigate the disc-halo connection in massive (Mstar/Msun>5e10) disc galaxies from the cosmological hydrodynamical simulations EAGLE and IllustrisTNG, and compare it with that inferred from the study of HI rotation curves in nearby massive spirals from the Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) dataset. We find that discrepancies between the the simulated and observed discs arise both on global and on local scales. Globally, the simulated discs inhabit halos that are a factor ~4 (in EAGLE) and ~2 (in IllustrisTNG) more massive than those derived from the rotation curve analysis of the observed dataset. We also use synthetic rotation curves of the simulated discs to demonstrate that the recovery of the halo masses from rotation curves are not systematically biased. We find that the simulations predict dark-matter dominated systems with stellar-to-total enclosed mass ratios that are a factor of 1.5-2 smaller than real galaxies at all radii. This is an alternative manifestation of the `failed feedback problem', since it indicates that simulated halos hosting massive discs have been too inefficient at converting their baryons into stars, possibly due to an overly efficient stellar and/or AGN feedback implementation.

研究の動機と目的

• 宇宙論的流体力学的シミュレーションにおける巨大円盤銀河（$M_\star > 5 \times 10^{10}\,M_\odot$）の円盤-ハロー関係を調査すること。
• シミュレートされた回転曲線およびハロー質量を、SPARCデータセットの観測済みH i回転曲線から推定されたものと比較すること。
• シミュレーションと観測の間の乖離が、回転曲線回復における系統的バイアスに起因するのか、それともモデル固有の欠陥に起因するのかを特定すること。
• シミュレーションにおけるフィードバックの実装が効率的すぎて、星形成が抑制され、ダークマターハローが過剰に質量を持つ原因になっているかどうかを評価すること。
• 現在のΛCDMシミュレーションで、巨大スパイラル銀河における観測された単調な星形成物質対ハロー質量関係（SHMR）を再現できるかどうかを評価すること。

提案手法

• z=0における巨大円盤銀河の性質を抽出するために、宇宙論的流体力学的シミュレーションEAGLEおよびIllustrisTNGを用いた。
• シミュレートされた銀河から合成H i回転曲線を構築し、SPARCデータセットの観測曲線と比較した。
• 観測済みSPARC回転曲線の質量分解を実施し、星形成物質質量、ガス質量、全動力学的質量およびハロー質量を導出した。
• 半径スケールにわたるシミュレート済みおよび観測済み円盤の星形成物質対全質量比（$M_\star/M_{\rm dyn}$）プロファイルを比較した。
• ハロー質量のグローバルな乖離を、シミュレーションからの$M_{\rm halo}$と回転曲線から推定された$M_{\rm halo}$の比較によって定量化した。
• 回転曲線回復におけるバイアスが観測された乖離を説明できるかどうかを評価し、シミュレーションでは顕著な系統的バイアスがないことが判明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EAGLEおよびIllustrisTNGシミュレーションにおける巨大円盤銀河のハロー質量は、SPARCデータセットの観測済みH i回転曲線から推定されたものと整合しているか？
• RQ2 シミュレートされた円盤は観測された巨大スパイラル銀河よりもダークマターに支配されているのか？ もしそうなら、どの程度の差があるか？
• RQ3 シミュレートされた円盤における星形成物質対全質量比の乖離は、回転曲線モデリングのバイアスに起因するのか、それともフィードバック物理の物理的欠陥に起因するのか？
• RQ4 観測された巨大スパイラル銀河における単調なSHMRは、現在のΛCDM流体力学的シミュレーションの予測をどの程度挑戦しているか？
• RQ5 円盤構造とハロー質量の観測された不一致は、シミュレーションにおけるフィードバックの効率の高すぎる実装に起因していると説明できるか？

主な発見

• EAGLEにおけるシミュレートされた巨大円盤は、SPARC回転曲線から推定されたものと比較して、約4倍も質量の大きなハローに位置している。
• IllustrisTNGでは、シミュレートされたハロー質量が観測曲線から推定されたものと比較して約2倍大きい。
• すべての半径で、シミュレートされた円盤の星形成物質対全質量比（$M_\star/M_{\rm dyn}$）は、観測された巨大スパイラル銀河のそれよりも1.5–2倍小さい。
• ハロー質量および質量比の乖離は、回転曲線回復における系統的バイアスによるものではなく、シミュレーションからの合成回転曲線が観測プロファイルを正確に再現していることから、そのようなバイアスは存在しない。
• 不一致は、フィードバックの実装が効率的すぎて、バリオンから星への変換が不十分になり、ダークマターハローが過剰に質量を持つ原因になっていることを示唆している。
• この結果は、『フィードバック失敗問題』の局所的側面を表しており、フィードバックが巨大ハローで星形成を抑制できず、現実的ではないほどダークマターに支配されたシステムが生じている。