[論文レビュー] The Average Star Formation Histories of Galaxies in Dark Matter Halos from z=0-8

Peter Behroozi, Risa H. Wechsler+1 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jul 25, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、宇宙時間の全範囲（z=0 から z=8）における銀河の星形成歴を自己一貫性があり経験的にキャリブレーションされたモデルとして提示している。質量関係マッチングとホール質量関数の制約を用いて、銀河の星形成度と星質量をダークマターホールの性質に結びつけている。主な貢献は、宇宙の星形成率、星質量関数、および単位星質量あたりの星形成率を統合する、不確実性を考慮した堅牢なフレームワークを提供することであり、10¹² M☉のホールで星形成効率が最大に達し、z≈2.5以降ではバリオン変換効率が急激に低下することが明らかになった。

ABSTRACT

We present a robust method to constrain average galaxy star formation rates, star formation histories, and the intracluster light as a function of halo mass. Our results are consistent with observed galaxy stellar mass functions, specific star formation rates, and cosmic star formation rates from z=0 to z=8. We consider the effects of a wide range of uncertainties on our results, including those affecting stellar masses, star formation rates, and the halo mass function at the heart of our analysis. As they are relevant to our method, we also present new calibrations of the dark matter halo mass function, halo mass accretion histories, and halo-subhalo merger rates out to z=8. We also provide new compilations of cosmic and specific star formation rates; more recent measurements are now consistent with the buildup of the cosmic stellar mass density at all redshifts. Implications of our work include: halos near 10^12 Msun are the most efficient at forming stars at all redshifts, the baryon conversion efficiency of massive halos drops markedly after z ~ 2.5 (consistent with theories of cold-mode accretion), the ICL for massive galaxies is expected to be significant out to at least z ~ 1-1.5, and dwarf galaxies at low redshifts have higher stellar mass to halo mass ratios than previous expectations and form later than in most theoretical models. Finally, we provide new fitting formulae for star formation histories that are more accurate than the standard declining tau model. Our approach places a wide variety of observations relating to the star formation history of galaxies into a self-consistent framework based on the modern understanding of structure formation in LCDM. Constraints on the stellar mass-halo mass relationship and star formation rates are available for download at http://www.peterbehroozi.com/data.html .

研究の動機と目的

• ΛCDMフレームワーク内において、z=0 から z=8 の範囲で観測された宇宙の星形成率、星質量関数、および単位星質量あたりの星形成率を統合すること。
• 観測的およびモデルの不確実性を考慮した上で、ダークマターホール質量の関数としての銀河の平均星形成歴を制約すること。
• 星形成と合体の両方が銀河質量の蓄積に果たす役割を定量化すること。特に、銀河間銀河領域光（ICL）の寄与を含むこと。
• 標準的な低下tauモデルを凌駆する、より正確な星形成歴のフィッティング式を提供すること。
• z=8 までにわたるホール質量関数、降着歴、および合体率をキャリブレーションし、銀河-ホール接続モデルの基盤を強化すること。

提案手法

• z=0 から z=1 にわたり一貫性のある手法を用いて、観測された銀河の星質量とダークマターホール質量との間の経験的質量関係マッチング。
• 最新の観測データの統合：低赤方偏移では PRIMUS および SDSS+GALEX の星質量関数、高赤方偏移では z≈8 までに及ぶ調査データ。
• Bolshoi および MultiDark のN体シミュレーションを用いて、z=8 までにわたるホール質量関数、降着歴、および準惑星系の合体率をモデル化。
• ベイズ的フレームワークを適用し、星質量、星形成率、ホール質量関数の不確実性を最終的な制約に伝搬。
• 星形成歴のための新しいフィッティング式の開発：高赤方偏移では累乗則（式22）、全赤方偏移範囲に一般化された形式（式23–24）。
• 星質量対ホール質量関係の系統的分析により、星質量関数の低質量端での上昇により、二重累乗則フィットの偏差が明らかになった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 z=0 から z=8 の範囲で、ダークマターホール質量の関数として銀河の平均星形成歴はどのように変化するか？
• RQ2 バリオン変換効率（バリオンのうち星に変換された割合）は、ホール質量および赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ3 銀河質量の増加は、イン・スイット星形成と合体のどちらに起因するか。また、これはホール質量および赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ4 質量の大きな銀河（M∗ > 10¹¹ M☉）の星のうち、どれくらいの割合が銀河間領域光（ICL）に存在するか。また、これは赤方偏移とともにどのように変化するか？
• RQ5 星質量および星形成率の観測的不確実性は、推定される銀河-ホール接続および星形成歴にどのように影響を及ぼすか？

主な発見

• ホール質量が ∼10¹² M☉ の銀河は、全赤方偏移範囲（z=0 から z=8）で最も星形成効率が高く、バリオン変換効率は20–40％に達する。
• 質量の大きなホール（M_halo > 10¹² M☉）では、z≈2.5 を境にバリオン変換効率が急激に低下し、銀河形成モデルにおけるコールドモード降着の減少と整合的である。
• 質量の大きな銀河（M∗ > 10¹¹ M☉）では、z≈1–1.5 までに、中心銀河に存在する星質量と同程度、あるいはそれ以上がICLに存在すると予想される。これは質量定義に依存する。
• z=0 におけるミルキーウェイ質量（M_halo ≈ 10¹² M☉）を境に、合体主導から星形成主導への質量蓄積の遷移が起こり、低質量側では星形成が支配的である。
• 矮星銀河（M∗ < 10⁸.⁵ M☉）は、従来の予想よりも星質量対ホール質量比が高い。低赤方偏移での星質量関数の低質量端での明確な上昇は、低質量での形成効率の向上を示唆している。
• 星形成歴のための新しいフィッティング式（式22–24）は、特に高赤方偏移および多様なホール質量範囲で、標準的な低下tauモデルを凌駆するより正確な記述を可能にしている。