[論文レビュー] Signatures of Galactic Superwinds: Inhomogeneous Metal Enrichment of the Lyman Alpha Forest

Renyue Cen, Kentaro Nagamine+1 more|Jul 7, 2004

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 54

ひとこと要約

この論文は、ΛCDMフレームワーク内での高解像度流体力学的シミュレーションを用いて、銀河スーパーワインズ（GSW）がLyαフォレストの金属量に与える影響を調査している。GSWが低密度・低吸収係数のLyα雲（N_HI ~ 10^12–10^14 cm⁻²）を顕著に金属化し、平均金属量が約10⁻² Z⊙に達することを示している。これは、GSWを含まないシミュレーションでは観測されない独自の特徴であり、GSWを含むとN_HI ~ 10^13–10^14 cm⁻²付近で中位金属量に最小値が現れることも予測している。

ABSTRACT

We investigate possible signatures of feedback from galactic superwinds on the metallicity of the Lyman alpha forest, using a set of high resolution hydrodynamic simulations of a Lambda cold dark matter model. Simulations produce metals self-consistently, based on one single parameter, the metal yield, which in turn is constrained by metallicity in the intra-cluster gas. We follow metals as a separate density species. For the metallicity of Lyman alpha clouds with column density of N_{HI}~10^{14.5}-10^{15.5}/cm^2 at z=2-4 we find reasonable agreement between simulations, both with and without GSW, and observations (Schaye et al). A unique signature and sensitive test of GSW is, however, provided by lower density regions with gas density of ρ/ = 0.01-1.0 and a corresponding column density of 10^{12}-10^{14}/cm^2. Without GSW we predict that both the mean and median metallicity of \lya clouds in this column density range at z=2-4 should have Z<10^{3}Zsun, since these small systems support little star formation. GSW contaminate these regions, however, and also there is a significant fraction (~25%) of Lyman alpha clouds in this column density range which have a high metallicity excess of 10^{-2}Zsun, resulting in a mean metallicity of ~10^{-2}Zsun. In addition, we find that there is a minimum in the median metallicity for clouds of N_{HI}~10^{13}-10^{14}/cm^2 in the case with GSW, whereas without GSW the metallicity decreases monotonically and rapidly with decreasing column density. Finally, we predict that the ratio of secondary (e.g., N) to primary metals (e.g., O,C) is expected to be smaller by a factor of 10 in clouds of N_{HI}~10^{14.5}/cm^2 compared to that in large galaxies; this factor increases to >50 for N_{HI}< 10^{13.5}/cm^2.

研究の動機と目的

• Lyαフォレストによって示される銀河間媒体（IGM）の金属量に、銀河スーパーワインズ（GSW）が及ぼす観測可能なシグナルを特定すること。
• z ≈ 2–4における低密度IGM領域の観測された金属量の増加を、GSWによるものとして説明できるかを検証すること。
• 高赤方偏移における低質量銀河が、GSWを介してIGMに金属を供給する主な源であるという仮説を検証すること。
• 吸収係数と赤方偏移の関数として、Lyα雲内の金属量および二次元素/一次元素比（例：N/O、N/C）の進化を調査すること。
• 数値的解像度および初期パワースペクトルが、GSW駆動金属輸送予測の妥当性に与える影響を評価すること。

提案手法

• ΛCDMモデル内での高解像度宇宙論的流体力学的シミュレーションを実施し、星形成と超新星の金属生成を自己一貫的に組み込む。
• 金属を別個の流体種として追跡し、観測された銀河団内ガスの金属量に一致するように金属産出率を調整する。
• GSWフィードバックを含む・含まないシミュレーションを比較し、IGM内金属分布に及ぼすGSWの影響を分離する。
• 基準シミュレーション（Run 1）と初期パワースペクトルを変更したバージョン（Runs 6,7）を用いて、低質量銀河が金属輸送に果たす役割を検証する。
• z = 2, 3, 4におけるHI吸収係数（N_HI）およびガスの過密度（ρ/⟨ρ⟩）の関数としての金属量分布を分析する。
• Lyα雲内の二次元素/一次元素比（例：N/O、N/C）を計算し、低質量銀河と大規模銀河からの金属化を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河スーパーワインズフィードバックは、z ≈ 2–4における低吸収係数のLyαフォレスト雲（N_HI ~ 10^12–10^14 cm⁻²）の金属量を顕著に変化させるか？
• RQ2 低密度IGMにおける観測された金属量の増加は、低質量銀河からのGSWによって説明可能か、それとも他のメカニズムを要するか？
• RQ3 GSWを含めると、HI吸収係数が減少するに従って予測される中位金属量および平均金属量の傾向にどのような影響が生じるか？
• RQ4 異なる吸収係数を持つLyα雲における二次元素/一次元素比（例：N/O、N/C）はどの程度の値を示すか？また、大規模銀河とはどのように異なるか？
• RQ5 数値的解像度および初期パワースペクトルは、GSW駆動金属輸送予測の妥当性にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 銀河スーパーワインズが存在しない場合、z ≈ 2–4におけるN_HI ~ 10^12–10^14 cm⁻²のLyα雲の平均および中位金属量は≤ 10⁻³ Z⊙に予測され、低密度系における最小限の星形成と整合的である。
• 銀河スーパーワインズを含むと、低吸収係数Lyα雲の約25％が約10⁻² Z⊙の高い金属量過剰を示し、平均金属量が約10⁻² Z⊙に上昇する。これは、GSWの独自で観測可能な特徴である。
• GSWを含むと、N_HI ~ 10^13–10^14 cm⁻²付近で中位金属量に最小値が現れるが、GSWがない場合は吸収係数が低下するに従い金属量が単調かつ急激に減少する。
• 吸収係数N_HI ~ 10^14.5 cm⁻²の雲では、二次元素/一次元素比（例：N/O）が大規模銀河に比べて約10倍小さく、N_HI ≤ 10^13.5 cm⁻²の雲では50倍以上も小さいと予測され、これは検証可能な予測である。
• 低質量銀河（M ≤ 4.5×10^10 h⁻¹ M⊙）の数を人工的に減少させると、GSW駆動による低吸収係数雲の金属化が約4倍減少し、これらの系が低密度IGMにおける金属の主な供給源であることが示唆される。
• シミュレーションは、IGM内金属量の進化が高赤方偏移（z ≈ 2–4）でほとんど完了しており、中位金属量の変化は僅かであることを示しており、観測と整合的である。