[論文レビュー] Simulations and modelling of the ISM in galaxies

Claudia del P. Lagos, C. G. Lacey+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、銀河形成における流体力学的シミュレーションおよび準解析的モデルをレビューし、特に分子および原子ガス相および星形成の改善されたモデリングが、観測されたスケーリング関係および赤方偏移における進化の再現性を向上させることを強調している。物理的ISM処理（CO放射およびフィードバック駆動型乱流など）を組み込むことで、ALMAや他の電波/ミリ波望遠鏡からの観測とのモデルの整合性が著しく向上することが示されている。

ABSTRACT

The latest observations of molecular gas and the atomic hydrogen content of local and high-redshift galaxies, coupled with how these correlate with star formation activity, have revolutionized our ideas about how to model star formation in a galactic context. A successful theory of galaxy formation has to explain some key facts: (i) high-redshift galaxies have higher molecular gas fractions and star formation rates than local galaxies, (ii) scaling relations show that the atomic-to-stellar mass ratio decreases with stellar mass in the local Universe, and (iii) the global abundance of atomic hydrogen evolves very weakly with time. We review how modern cosmological simulations of galaxy formation attempt to put these pieces together and highlight how approaches simultaneously solving dark matter and gas physics, and approaches first solving the dark matter N-body problem and then dealing with gas physics using semi-analytic models, differ and complement each other. We review the observable predictions, what we think we have learned so far and what still needs to be done in the simulations to allow robust testing by the new observations expected from telescopes such as ALMA, PdBI, LMT, JVLA, ASKAP, MeerKAT, SKA.

研究の動機と目的

• 現代の宇宙論的シミュレーションおよび準解析的モデルが、銀河における複雑な星間媒体（ISM）の物理学をどのように扱っているかを評価すること。
• 特に分子および原子ガス、星形成、フィードバックに影響を与える改善されたISMモデリングが、観測された銀河のスケーリング関係を再現する上で果たす影響を評価すること。
• 特に赤方偏移に伴う原子水素および分子ガス分率の進化に関して、モデルと観測との間の主要な不一致を特定すること。
• 近い将来の高感度電波およびミリ波帯の調査（ALMA、SKA、関連望遠鏡を含む）を踏まえた現在のモデルの予測能力を評価すること。
• 流体力学的シミュレーション（並列的手法）と準解析的モデル（逐次的手法）のISM物理学および銀河進化モデリングにおける長所と短所を比較すること。

提案手法

• ダークマター、ガス力学、冷却、星形成、超新星フィードバックを、解像度の高いISMスケールで自己一貫的にモデル化する流体力学的シミュレーションを用いる。
• ダークマターハロのN体問題を最初に解き、その後、ガス冷却、星形成、フィードバックのパラメータ化された物理モデルを適用する準解析的モデルを用いる。
• 観測データと比較するため、ISMにおけるCO励起および輝度関数を含む物理的CO放射処理を組み込む。
• ガス質量関数（HIおよびH2）およびガス含量、星形成速度、星質量の間のスケーリング関係の統計的モデリングを適用する。
• 望遠鏡の感度および解像度を想定した、合成ALMAマップ（例：CO(3-2)およびCO(6-5)）を用いたシミュレート観測を実施し、モデル予測の妥当性を検証する。
• z ≈ 0およびz ≈ 2におけるCO(1-0)輝度関数、および局所宇宙におけるHI質量関数といった観測制約とモデル出力を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流体力学的シミュレーションと準解析的モデルは、ISM物理学の取り扱い方および観測されたガススケーリング関係の再現能力において、どのように異なるか？
• RQ2 超新星フィードバックは、ISM乱流の維持と星形成の調節にどのような役割を果たしており、それがシミュレーションでどのように捉えられているか？
• RQ3 CO放射の物理的モデリングが、高赤方偏移における分子ガス観測との一致をどの程度向上させるか？
• RQ4 現在のモデルがなぜ宇宙時間に伴う原子水素の豊度の弱い進化を再現できないのか、そして何が改善される必要があるのか？
• RQ5 次世代の望遠鏡（ALMA、SKA、MeerKATなど）が、銀河形成シミュレーションにおけるISMモデリングをどの程度制約し、精錬するのか？

主な発見

• 流体力学的シミュレーションは、表面星形成率と分子ガス表面密度の観測関係が、ガス表面密度に共通して依存し、超新星駆動乱流の安定化効果によって生じることを示している。
• 静的で化学平衡状態のISMと物理的星形成プロトコルを含む準解析的モデルは、観測されたHIおよびH2質量関数、および星質量の増加に伴う原子ガス対星質量比の減少を成功裏に再現している。
• 準解析的モデルに物理的CO放射モデリング（例：Lagos et al. 2012）を組み込むことで、z ≈ 0およびz ≈ 2における観測CO(1-0)輝度関数との一致が向上し、物理的に不自然なガス分率を持つモデルを除外する手がかりが得られた。
• z ≈ 2におけるCO(3-2)およびCO(6-5)放射のシミュレートALMA観測では、完全なALMA構成により、それぞれ20分および5時間の積分で通常の星形成銀河を検出可能であり、モデルの予測可能性が裏付けられた。
• モデルは、z ≈ 0からz ≈ 2にかけて、明るいCO(1-0)銀河の数密度に強い進化を予測しており、COSMOS領域におけるJVLAおよびALMAのフォローアップキャンペーンと整合的である。
• 進展は見られたが、形態的変換および原子ガスの詳細な進化のモデリングには不一致が残っており、両アプローチにおけるスケール下の物理の改善が求められている。