[論文レビュー] Stochastic Star Formation & Feedback: Mapping Low-Mass Galaxies to Dark Matter Haloes

G. A. Wynn, Geraint F. Lewis+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、低質量ハローにおける非効率な高質量星形成とガスの破壊的影響によって引き起こされる確率的星形成および超新星駆動フィードバックが、ダークマター準準候補に埋め込まれた銀河の観測された確率的占有を説明すると提案している。モンテカルロ的手法によるハロー形成のモデルを用いて、低質量ハロー（$\lesssim 10^9\,M_\odot$）が原子冷却を実現できず、ガスの剥離が生じやすく、星形成が形成歴とフィードバックのタイミングに依存して停止することを示している。

ABSTRACT

Comparison of observed satellite galaxies of the Milky Way (hereafter MW) with dark matter subhaloes in cosmological $N$-body simulations of MW-mass haloes suggest that such subhaloes, if they exist, are occupied by satellites in a stochastic fashion. We examine how inefficient massive star formation and associated supernova feedback in high-redshift progenitors of present-day low-mass subhaloes might contribute to this stochasticity. Using a Monte Carlo approach to follow the assembly histories of present-day low-mass haloes with $10^7 \lesssim M \leq 10^{10}$ ${ m M}_{\odot}$, we identify when cooling and star formation is likely to proceed, and observe that haloes with present-day masses $\lesssim 10^9 { m M}_{\odot}$ never grow sufficiently massive to support atomic hydrogen line cooling. Noting that the star formation timescale decreases sharply with stellar mass as $t_{ m PMS} \propto m_{\ast}^{-2.5}$, we argue that, should the conditions for high mass star formation arise in low-mass haloes, the ensuing supernovae are likely to disrupt ongoing lower-mass star formation and unbind gas within the halo. This potentially star-forming gas is unlikely to be replenished in lower mass haloes because of, e.g. cosmological reionization, and so we expect galaxy formation to be stymied in a manner that depends on host halo assembly history and the efficiency and timing of star formation in proto-galaxies, which we illustrate using a Monte Carlo model. Based on these simple physical arguments, we assert that stochasticity of star formation and feedback is an essential but overlooked ingredient in modelling galaxy formation on the smallest scales.

研究の動機と目的

• 低質量ハローにおけるフィードバック過程を検討することで、ミルキーウェイの衛星銀河がダークマター準準候補に確率的に占有されている理由を説明すること。
• 低質量ハロー（$10^7 \lesssim M \leq 10^{10}\,M_\odot$）がガスを有しているにもかかわらず、持続的な銀河を形成できない理由を調査すること。
• 非効率な高質量星形成と超新星フィードバックが、低質量ハローでガスを破壊し、星形成を停止させる仕組みを評価すること。
• モンテカルロ手法を用いて、ハロー形成歴とフィードバックタイミングに依存する銀河形成の依存関係をモデル化すること。
• 確率的フィードバックが、最小スケールでの銀河形成のモデル化において、重要かつ見過ごされていた要因であると主張すること。

提案手法

• 現在の低質量ハロー（$10^7 \lesssim M \leq 10^{10}\,M_\odot$）の形成歴を追跡するためのモンテカルロシミュレーションを用いる。
• ハロー質量と赤方偏移に基づいて冷却と星形成の条件をモデル化し、原子水素冷却が有効になる時期を特定する。
• PMS時間スケール関係 $t_{\text{PMS}} \propto m_*^{-2.5}$ を適用して、低質量星と高質量星の間での星形成速度の違いを推定する。
• 冷却が非効率な場合に、特に超新星フィードバックがガスの剥離に与える影響を評価する。
• 特に低質量系において、宇宙論的再イオン化によるガス補充制限を評価する。
• フィードバックタイミング、ハロー歴、ガス保持率を組み合わせることで、銀河形成の確率的結果をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ低質量ハロー（$\lesssim 10^9\,M_\odot$）はガスを有しているにもかかわらず、持続的な銀河を形成できないのか？
• RQ2 高質量星形成のタイミングと効率が、低質量ハローにおけるガス保持とその後の星形成にどのように影響するか？
• RQ3 原子水素冷却が欠如するハローにおいて、超新星フィードバックが星形成をどれほど破壊し、ガスを剥離するか？
• RQ4 星形成とフィードバックの確率的性質が、ハローの形成歴にどのように依存するか？
• RQ5 なぜ低質量ハローにおける銀河形成が初期条件とフィードバックタイミングに極めて敏感なのか？

主な発見

• 現在の質量が $\lesssim 10^9\,M_\odot$ のハローは、原子水素線冷却を支えるのに十分に大きくならず、星形成の能力が制限される。
• 急速なPMS時間スケール（$t_{\text{PMS}} \propto m_*^{-2.5}$）は、高質量星が低質量星がシステムを安定化させる前に速やかに形成され、超新星を引き起こすことを示唆している。
• 冷却が非効率で重力ポテンシャルが小さい低質量ハローでは、超新星フィードバックがガスを剥離し、進行中の星形成を破壊する可能性が高い。
• 宇宙論的再イオン化のため、低質量ハローではガス補充が不確実であり、銀河形成が不可逆的に抑制される。
• 銀河形成の確率的性質は、ハロー形成歴、フィードバックタイミング、星形成効率の相互作用に起因し、単に準準候補の数に依存するものではない。
• 確率的フィードバックが、最小スケールのダークマターハローにおける銀河形成を支配する、以前に見過ごされていた主要なメカニズムであると特定された。