[論文レビュー] On the Origin and Evolution of the Galaxy Stellar Mass Function

Daniel D. Kelson, Andrew Benson+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 12被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、ニュートン力学と平均星形成効率を用いて、銀河の星族質量関数の初期進化を説明する定常確率過程フレームワークを提案する。解析的に特徴的星族質量、低質量指数（α ≈ −7/5）、正規化、赤方偏移の進化（z ≈ 12.5 から z ≈ 2）を導出し、バリオンの加速に起因するアセンブリバイアスが、高密度領域でのより速い成長を引き起こすことを示している。フィードバックや質量依存効率を明示的に必要としない。

ABSTRACT

Here we explore the evolution of galaxy ensembles at early times by writing the in situ stellar mass growth of galaxies purely as a stationary stochastic (e.g., quasi-steady state) process. By combining the mathematics of such processes with Newtonian gravity and a mean local star formation efficiency, we show that the stellar mass evolution of galaxy ensembles is directly related to the average acceleration of baryons onto dark matter halos at the onset of star formation, with explicit dependencies on initial local matter densities and halo mass. The density term specifically implies more rapid average rates of growth in higher density regions of the universe compared to low density regions, i.e., assembly bias. With this framework, using standard cosmological parameters, a mean star formation efficiency derived by other authors, and knowledge of the shape of the cosmological matter power spectrum at small scales, we analytically derive (1) the characteristic stellar masses of galaxies (M*), (2) the power-law low-mass slope (alpha) and normalization (phi*) of the stellar mass function, and (3) the evolution of the stellar mass function in time over 12.5 > z > 2. Correspondingly, the rise in the cosmic star formation rate density over these epochs, while the universe can sustain unabated fueling of star formation, also emerges naturally. All of our findings are consistent with the deepest available data, including the expectation of alpha~-7/5; i.e., a stellar mass function low-mass slope that is notably shallower than that of the halo mass function, and with no systematic deviations from a mean star formation efficiency with density or mass, nor any explicit, additional feedback mechanisms. These derivations yield a compelling richness and complexity but also show that very few astrophysical details are required to understand the evolution of cosmic ensemble of galaxies at early times.

研究の動機と目的

• 複雑なシミュレーションや便宜的なフィードバックモデルに依存しない、物理的に根拠のある解析的フレームワークを構築すること。
• 平均化されたアンサンブルの進化が遅い一方で、個々の銀河の成長歴に内在するダイナミクスとの乖離を解消すること。
• 宇宙論的パラメータと物質パワースペクトルを用いて、第一原理から星族質量関数の形状と進化を導出すること。
• イン・スイット星族質量成長の定常確率過程が、観測された特徴（例：浅い低質量指数 α ≈ −7/5 および宇宙の星形成率密度の上昇）を再現できるかどうかをテストすること。
• 初期バリオンの加速に起因するアセンブリバイアスが、宇宙密度場全体における銀河アンサンブルの異なる成長率を自然に説明できるかどうかを示すこと。

提案手法

• 時間的に準定常的な星形成を仮定し、銀河星族質量成長を定常確率過程としてモデル化する。
• ニュートン力学を適用して、z ≈ 10–15 におけるダークマターハローへのバリオンの平均加速度を計算し、星族質量成長率と関連付ける。
• 外部研究から得られた平均局所星形成効率を導入し、密度および質量スケールを問わず一定であると仮定する。
• 小スケールにおける宇宙論的物質パワースペクトルの形状を用いて、初期バリオン降着率の分布を規定する。
• 確率過程のフォッカー・プランク型方程式を解くことで、星族質量関数を解析的に導出し、M*、α、φ* およびそれらの赤方偏移依存性を得る。
• フィードバックや効率パラメータの調整なしに、深紫外観測データ（低質量指数および宇宙の星形成率密度の進化）とモデルを照合して妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z ≈ 12.5 から z ≈ 2 にかけての銀河星族質量関数の進化は、明示的なフィードバック機構や質量依存星形成効率を必要とせずに説明可能か？
• RQ2 観測された浅い低質量指数（α ≈ −7/5）は、高密度領域におけるバリオン加速に駆動される確率的成長過程から自然に生じるか？
• RQ3 バリオン降着率の差異に起因するアセンブリバイアスは、宇宙密度場全体における銀河アンサンブルの成長差をどの程度説明できるか？
• RQ4 この確率的フレームワークにおいて、初期宇宙における持続的なバリオン供給が、星形成率密度の上昇を自然に誘発できるか？
• RQ5 時間的に一定の星族質量関数の形状が観測されているが、これは定常確率過程と整合するか、それとも非定常的・非局所的物理が必要か？

主な発見

• モデルは、宇宙論的パラメータと物質パワースペクトルを用いて、星族質量関数の特徴的星族質量（M*）を解析的に導出する。
• 星族質量関数の低質量指数は α ≈ −7/5 と予測され、深紫外観測データと一致し、ハロー質量関数の傾きとは顕著に異なる。
• 星族質量関数の正規化（φ*）および 12.5 ≥ z ≳ 2 の範囲における進化は、追加の自由パラメータやフィードバックパラダイムを導入せずに再現された。
• 同じ赤方偏移範囲における宇宙の星形成率密度の上昇は、確率的成長モデルにおける持続的な星形成供給から自然に生じる。
• 密度が高い領域では初期のバリオン加速度が大きいため、平均的な星族質量成長が速くなることが示され、アセンブリバイアスの物理的起源が得られた。
• モデルは、星族質量関数の形状と進化のすべての主要な特徴について、深紫外観測データと整合性を保ちつつ、平均星形成効率とニュートン力学以外の最小限の天体物理学的入力を必要としている。