[論文レビュー] Star Formation Isochrone Surfaces: Clues on Star Formation Quenching in Dense Environments

Miguel A. Aragón-Calvo, Mark C. Neyrinck+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、銀河の色-密度関係が、複雑なフィードバック機構ではなく、ガス降着の幾何的制約に起因すると提案する。高解像度の流体ダイナミクスシミュレーションにおいて、星形成ガス粒子を時間の遡行することで、星形成開始時刻が一定の『星形成等時面』— すなわち、同じ時期に星形成を開始したガス粒子が形成する表面 — を特定した。これらの等時面は、高密度環境で交差し、ガス供給を遮断し、星形成を早期に停止させる。主な結果は、この純粋に重力的・幾何学的メカニズムが、団内の高質量銀河が赤色で停止しているのに対し、孤立銀河は青色のまま維持されるという事実を自然に説明できることにある。

ABSTRACT

The star formation history of galaxies is a complex process usually considered to be stochastic in nature, for which we can only give average descriptions such as the color-density relation. In this work we follow star-forming gas particles in a hydrodynamical N-body simulation back in time in order to study their initial spatial configuration. By keeping record of the time when a gas particle started forming stars we can produce gas-star isochrone surfaces delineating the surfaces of accreting gas that begin producing stars at different times. These accretion surfaces are closely packed inside dense regions, intersecting each other, and as a result galaxies inside proto-clusters stop accreting gas early, naturally explaining the color dependence on density. The process described here has a purely gravitational / geometrical origin, arguably operating at a more fundamental level than complex processes such as AGN and supernovae, and providing a conceptual origin for the color-density relation.

研究の動機と目的

• 銀河の色（星形成活動）と局所的密度の関係を示す色-密度関係の起源を解明すること。
• 高密度環境における星形成の停止が、複雑なフィードバックプロセスではなく、ガス降着の幾何的制約に起因するかどうかを特定すること。
• 特に孤立環境と団環境における、後に星形成を起こすガスの初期空間的配置をモデル化すること。
• 単純なボロノイ型幾何学的モデルが、星形成開始時刻の複雑な流体ダイナミクス的シミュレーション結果をどれほど再現できるかを検証すること。
• 宇宙の星形成率のピークと、原始団における等時面の交差との関連を調査すること。

提案手法

• 高解像度のN体流体ダイナミクス・シミュレーションにおいて、星形成ガス粒子を時間の遡行することで、初期空間的位置と星形成開始時刻を特定する。
• 星形成開始時刻が同じガス粒子をグループ化し、星形成開始時刻が一定の『星形成等時面』を構築する。
• 初期質量と予想される等時面半径に基づき、原始銀河間の空間を幾何学的に分割する重み付きボロノイタイルレーションを用いる。
• 等時面半径を現在時刻にまで外挿するための経験的公式（式1）を導出。これにより、ガス降着 timescale を予測可能となる。
• 完全な流体ダイナミクス的シミュレーションとボロノイモデルからの等時面を比較し、幾何的アプローチの妥当性を検証する。
• 原始団における等時面の交差を分析し、ガス供給の遮断と星形成の停止が開始される時期を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特に高密度環境における星形成の抑制が原因で観測される色-密度関係の背後にある要因は何か？
• RQ2 高質量銀河団における星形成の停止が、フィードバック機構ではなくガス降着の幾何的制約によって説明可能か？
• RQ3 原始銀河の等時面が高密度領域で交差し始める赤方偏移はどのくらいか（ガス供給遮断の開始時期を示唆）？
• RQ4 単純なボロノイ型幾何学的モデルが、ガス降着と星形成開始の複雑な流体ダイナミクス的挙動をどの程度再現できるか？
• RQ5 等時面の交差と観測された宇宙の星形成率履歴のピークとの相関は何か？

主な発見

• 高密度環境では、星形成等時面が早期に交差（z ≈ 4 で）し、ガス降着が遮断され、高質量銀河の星形成が早期に停止し、赤色になる。
• 現在時刻に外挿された等時面半径は、ホール質量と関係し、r_{a*=1} = (0.3702 + 0.0442 log₁₀M)/(3.577 − 0.2774 log₁₀M) で与えられ、初期質量と降着 timescale を結びつける。
• z = 4 時点で、原始団内の高質量原始銀河（M > 10¹⁰ h⁻¹ M⊙）間の平均距離は約 0.6 Mpc であり、これと等時面半径（約 0.5–0.7 Mpc）が同程度であるため、早期の停止が予想される。
• 初期質量と等時面半径に基づく幾何的制約に基づくボロノイモデルは、完全な流体ダイナミクス的シミュレーションからの等時面を驚くほど正確に再現し、この効果の幾何的起源を裏付ける。
• 星形成開始時刻分布のピーク（z ≈ 4–3）は、等時面の交差の開始時期と一致しており、観測された宇宙の星形成率履歴のピークと整合する。
• この幾何的メカニズムは、AGN や超新星フィードバックなどの複雑なフィードバックプロセスが支配的になる前に作用する、根本的かつ決定論的な色-密度関係の説明を提供する。