[論文レビュー] Missing Halo Baryons and Galactic Outflows

Romeel Davé|ArXiv.org|Jan 20, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

この論文では、制約付きの運動量駆動型外流モデルを用いた宇宙論的流体力学的シミュレーションにより、銀河外流が低質量銀河における欠落しているハロー核種を早期に核種を放出することで説明できることを示している。これにより、ミルキーウェイサイズのハローでは核種分率が宇宙平均の約60%にまで低下する。主な結果は、外流物質が低質量銀河に再帰する速度が遅いという差分的外流リサイクルが、小規模ハローにおける星形成効率を抑制することであり、これによりシミュレーションと観測のハロー質量関数および星形成質量関数の整合性が達成される。

ABSTRACT

We present predictions for galactic halo baryon fractions from cosmological hydrodynamic simulations with a well-constrained model for galactic outflows. Without outflows, halos contain roughly the cosmic fraction of baryons, slightly lowered at high masses owing to pressure support from hot gas. The star formation efficiency is large and increases monotonically to low masses, in disagreement with data. With outflows, the baryon fraction is increasingly suppressed in halos to lower masses. A Milky Way-sized halo at z=0 has about 60% of the cosmic fraction of baryons, so "missing" halo baryons have largely been evacuated, rather than existing in some hidden form. Large halos (>10^13 Mo) contain 85% of their cosmic share of baryons, which explains the mild missing baryon problem seen in clusters. By comparing results at z=3 and z=0, we show that most of the baryon removal occurs at early epochs in larger halos, while smaller halos lose baryons more recently. Star formation efficiency is maximized in halos of ~10^13 Mo, dropping significantly to lower masses, which helps reconcile the sub-L* slope of the observed stellar and halo mass functions. These trends are predominantly driven by differential wind recycling, namely, that wind material takes longer to return to low-mass galaxies than high-mass galaxies. The hot gas content of halos is mostly unaffected by outflows, showing that outflows tend to blow holes and escape rather than deposit their energy into halo gas.

研究の動機と目的

• 銀河外流が観測されたハロー核種の不足を説明できるかどうかをテストすることにより、欠落しているハロー核種問題を解決すること。
• 外流がさまざまなハロー質量および赤方偏移においてハロー核種分率に与える影響を調査すること。
• 外流が観測された星形成質量関数およびハロー質量関数を一致させられること、特にsub-L*の勾配を解明できることを確認すること。
• 差分的外流リサイクルが核種含量および星形成効率に与える役割を評価すること。
• 外流がホットハロー気体を顕著に加熱または金属化するのか、それとも最小限のエネルギー付与で逃げていくのかを評価すること。

提案手法

• 宇宙論的流体力学的シミュレーションを、IGMの豊度、元素比、および等級関数に制約を加えた運動量駆動型外流モデルを用いて実施。Gadget-2コードを改変して使用。
• WMAP3の一致する宇宙論を採用し、2つのボックスサイズ（32および64 h⁻¹ Mpc）と、高動的レンジを実現するための粒子数2×256³を採用。
• ハローの同定には球対称密度アルゴリズムを用い、ダークマターおよびガス粒子の質量の128倍以上に相当する質量以上に分解能を持つハローを対象とする。
• 外流は運動量駆動型としてモデル化され、エネルギーおよび金属の注入は、z ≈ 2–4における観測（O VIおよびO VII吸収線を含む）に一致するように調整されている。
• 核種分率は宇宙平均に対する相対値として計算され、星、冷却ガス（T < 10⁴.⁵ K）、およびホットガス（T > 10⁴.⁵ K）の寄与を分離している。
• 質量損失および外流リサイクル timescales の進化を追跡するため、z = 0およびz = 3におけるハロー核種分率を比較している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河外流が、特に低質量系において観測されたハロー核種の不足をどの程度説明できるか。
• RQ2 低質量および高質量ハローにおける核種放出のタイミングはどのように異なり、外流リサイクルが果たす役割は何か。
• RQ3 星形成効率が約10¹².⁵–13 M⊙のハローで最大値を示すのはなぜか。外流はこのピークをどのように形成するか。
• RQ4 外流はホットガスの分率を顕著に増加させるのか、それともエネルギーをほとんど付与せず逃げていくのか。
• RQ5 運動量駆動型外流モデルは、観測されたハロー核種分率およびその進化をどの程度正確に再現できるか。

主な発見

• z = 0におけるミルキーウェイサイズのハローでは、宇宙核種分率の約60％しか保持しておらず、欠落しているハロー核種の大部分が検出可能な相に隠されていない、すなわち放出されたと考えられる。
• 低質量ハロー（10¹⁰.⁵ M⊙）は約60％の核種を外流によって失い、10¹² M⊙のハローでは約40％を失う。外流リサイクルの遅れが原因で、小規模ハローでの抑制が最も顕著である。
• 星形成効率は約10¹².⁵–13 M⊙のハローでピークに達し、低質量側にかけて低下する。これにより、シミュレーションと観測の星形成質量関数の浅いふち勾配の整合性が達成される。
• 外流はハロー内のホットガス分率を顕著に増加させない。むしろエネルギーをほとんど付与せず逃げていくため、スパイラル銀河の周囲に強いX線ハローが観測されない理由が説明できる。
• 高質量ハロー（Mh > 10¹³ M⊙）は宇宙核種分率の約85％を保持しており、クラスタで観測されるやや穏やかな欠落核種問題と整合的である。
• 核種放出の大部分は、高質量ハローでは初期に（z ≈ 3）、低質量ハローでは外流リサイクルの時間が長いことから、比較的最近に発生している。