[論文レビュー] Parametrising Star Formation Histories

Vimal Simha, David H. Weinberg+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用数 26

ひとこと要約

本稿では、流体力学的シミュレーションにおける星形成歴（SFH）のパラメトリックモデルを評価し、標準的な$\tau$-モデルが質量対光度比と年齢における系統的バイアスのため、性能が著しく低いことが判明した。遷移時間$t_{\rm tr}$で線形増加（lin-exp）から線形ラムプへの移行を示す4パラメータモデルが、物理的パラメータの回復において最も正確であり、自由パラメータの周辺化により系統的誤差が解消された一方で、許容できる統計的不確実性を維持した。

ABSTRACT

We examine the star formation histories (SFHs) of galaxies in smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulations, compare them to parametric models that are commonly used in fitting observed galaxy spectral energy distributions, and examine the efficacy of these parametric models as practical tools for recovering the physical parameters of galaxies. The commonly used tau-model, with SFR ~ exp(-t/tau), provides a poor match to the SFH of our SPH galaxies, with a mismatch between early and late star formation that leads to systematic errors in predicting colours and stellar mass-to-light ratios. A one-parameter lin-exp model, with SFR ~ t*exp(-t/tau), is much more successful on average, but it fails to match the late-time behavior of the bluest, most actively star-forming galaxies and the passive, "red and dead" galaxies. We introduce a 4-parameter model, which transitions from lin-exp to a linear ramp after a transition time, which describes our simulated galaxies very well. We test the ability of these parametrised models to recover (at z=0, 0.5, and 1) the stellar mass-to-light ratios, specific star formation rates, and stellar population ages from the galaxy colours, computed from the full SPH star formation histories using the FSPS code of Conroy et al. (2009). Fits with tau-models systematically overestimate M/L by ~ 0.2 dex, overestimate population ages by ~ 1-2 Gyr, and underestimate sSFR by ~ 0.05 dex. Fits with lin-exp are less biased on average, but the 4-parameter model yields the best results for the full range of galaxies. Marginalizing over the free parameters of the 4-parameter model leads to slightly larger statistical errors than 1-parameter fits but essentially removes all systematic biases, so this is our recommended procedure for fitting real galaxies.

研究の動機と目的

• 一般的に用いられるパラメトリックSFHモデル（特に$\tau$-モデルとlin-expモデル）が、SPHシミュレーションから得られたシミュレートされた銀河の星形成歴をどの程度正確に再現できるかを評価すること。
• 星形成率、星の質量対光度比、および星族の年齢といった物理的パラメータの推定値に系統的バイアスをもたらす既存モデルの欠陥を特定すること。
• シミュレートされた銀河における星形成の複雑な時間的変化をよりよく捉えることのできる新しい4パラメータSFHモデルの開発と検証。
• FSPS星族合成コードを用いて、観測された銀河の色から物理的パラメータをどの程度正確に回復できるかを評価すること。

提案手法

• ガス冷却、星形成、銀河風を含む宇宙論的SPHフレームワークで銀河形成をシミュレートし、1,828個の銀河の詳細なSFHを生成する。
• シミュレートされた銀河のSFHを、$\tau$-モデル（$\dot{M}_* \propto e^{-(t-t_i)/\tau}$）、lin-expモデル（$\dot{M}_* \propto t e^{-(t-t_i)/\tau}$）、および遷移時間$t_{\rm tr}$を有する新しい4パラメータモデルと比較する。
• FSPSコードを用いて、完全なSPH SFHから合成された銀河の色と$r$バンド質量対光度比を計算し、比較のための「真値」とする。
• 各パラメトリックモデルを$z=0$、$z=0.5$、$z=1$における$ugriz$色にフィットし、予測された物理的パラメータをSPHから得た真値と比較する。
• パラメータのベイズ的周辺化を実施し、パラメータ回復の統計的不確実性とバイアスを評価する。
• 赤外線および紫外線の光度を光学色に追加することで、$M_*/L$およびsSFRの回復精度に与える影響をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なパラメトリックSFHモデル（特に$\tau$-モデルとlin-expモデル）は、SPHシミュレーションから導かれた星形成歴をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 これらのモデルは、星の質量対光度比、特異的星形成率、星族の年齢といった推定値にどのような系統的バイアスをもたらすか？
• RQ3 $t_{\rm tr}$で線形増加（lin-exp）から線形ラムプへの移行を示す新しい4パラメータSFHモデルは、シミュレートされた銀河の真のSFHをよりよく捉えることができるか？
• RQ4 4パラメータモデルの自由パラメータを周辺化することで、系統的バイアスが低減されるか、かつ許容できる統計的不確実性を維持できるか？
• RQ5 赤外線および紫外線の光度を光学色に追加することで、光学色のみを用いた場合に比べ、物理的パラメータの回復精度が向上するか？

主な発見

• 標準的な$\tau$-モデルは、$M_*/L$を約0.2 dex、星族の年齢を1–2 Gyr過剰に推定する一方で、$\dot{M}_*/M_*$は約0.05 dex過小に推定する。
• lin-expモデルは平均的にはバイアスを低減するが、最も青く、最も活発に星形成している銀河および消極的で「赤く死んだ」銀河の遅い時期のSFHを正確に記述できない。
• $t_{\rm tr}$で線形増加（lin-exp）から線形ラムプへの移行を示す4パラメータモデルは、すべての銀河タイプにおいて、シミュレートされたSFHに最もよく一致する。
• 4パラメータモデルの自由パラメータを周辺化することで、$M_*/L$、sSFR、星族の年齢推定値におけるすべての系統的バイアスが解消されたが、統計的誤差はわずかに増加した。
• 4パラメータモデルは、$z=0$、$z=0.5$、$z=1$の各紅移で、$M_*/L$およびsSFRの回復が最も正確であり、真のSPH由来の値からの系統的ずれが最小であった。
• 赤外線および紫外線の光度を光学色に追加することで、4パラメータモデルを用いた場合に、$M_*/L$およびsSFRの回復精度がさらに向上し、残存誤差が低減された。