[論文レビュー] The galaxy size to halo spin relation of disk galaxies in cosmological hydrodynamical simulations

Hang Yang, Liang Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、宇宙論的流体力学的シミュレーションにおける銀河サイズ–ハロースピンパラメータ関係を調査し、IllustrisTNGおよびAurigaシミュレーションでは、ディスクサイズとハロースピンの間に中程度の相関（ρ = 0.50）を示す一方、EAGLEおよびApostleシミュレーションでは弱いまたは相関のない関係を示すことを発見した。結果は、この関係を確立する上で、スケール下の物理および流体力学ソルバー（特にフィードバックモデル）が重要な役割を果たしていることを示唆し、現代のシミュレーションにおけるMMW98モデルの普遍性に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

In the standard disk galaxy formation model, the sizes of galactic disks are tightly related to the spin parameters $λ$ of their dark matter haloes. The model has been wildly adopted by various semi-analytic galaxy formation models which have been extremely successful to interpret a large body of observational data. However, the size-$λ$ correlation was rarely seen in most modern hydrodynamical simulations of galaxy formation. In this short paper, we make use of 4 sets of large hydrodynamical simulations to explore the size-spin parameter relation with a large sample of simulated disk galaxies, and compare it with a popular disk galaxy formation model of Mo et al. (1998). Intriguingly, galactic sizes correlate strongly with spin parameters of their dark matter haloes in the simulations developed by the IllustrisTNG collaborations, albeit the relation does not always agree with prediction of MMW98 model over all stellar mass range we examined. There is also a size-spin correlation for the Milky way analogies in the EAGLE simulations, while it is relatively weaker than that of the IllustrisTNG counterparts. For the dwarfs in the simulations from the EAGLE collaboration, there is NULL correlation. We conclude that either the detailed subgrid physics or hydrodynamics solvers account for the size-spin relation, which will be explored in our future work.

研究の動機と目的

• 現代の宇宙論的流体力学的シミュレーションにおける古典的ディスク銀河形成モデル（MMW98）の妥当性を検証すること。
• 異なるスケール下の物理を有する複数のシミュレーション・スイートにおいて、サイズ–スピンパラメータ関係（r₁/₂/R₂₀₀ 対 λ）が成立するかどうかを調査すること。
• 複数のシミュレーションプロジェクトにわたる、ミルキーウェイ質量銀河および矮星銀河におけるサイズ–スピン相関の強さと形を比較すること。
• 特にフィードバックおよび流体力学ソルバーが、シミュレーション内でのサイズ–スピン関係を駆動または抑制する物理的メカニズムを同定すること。

提案手法

• TNG100-1およびAuriga（IllustrisTNGファミリー）、EAGLEおよびApostle（EAGLEファミリー）の4つの大規模な宇宙論的流体力学的シミュレーションを用いた。
• 運動学的および形状的基準（例：回転支持ディスクを同定するκパラメータ）を用いてディスク銀河を選別した。
• 星族のスケール長 r₁/₂ を測定し、ハローバイナル半径 R₂₀₀ で正規化して r₁/₂/R₂₀₀ を計算した。
• ハロースピンパラメータ λ を標準定義式 λ = jₕ / (√2 V₂₀₀ R₂₀₀) を用いて、シミュレーションからのハローパラメータに基づき計算した。
• Spearman順位相関を用いて r₁/₂/R₂₀₀–λ 関係の強さを定量化し、Fisher変換を用いて誤差推定を実施した。
• シミュレーション結果を、fⱼ = 0.5 および fᵣ = 1 を仮定したMMW98モデルの予測と比較し、モデルの一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MMW98モデルが予測するサイズ–スピンパラメータ関係は、現代の流体力学的シミュレーションにおけるディスク銀河で成立するか？
• RQ2 異なるシミュレーション・スイート（例：IllustrisTNG 対 EAGLE）間で、r₁/₂/R₂₀₀–λ 相関の強さはどのように変化するか？
• RQ3 ミルキーウェイ質量銀河と比べて、矮星銀河ではこの相関が強いか？
• RQ4 スケール下の物理および流体力学ソルバーは、サイズ–スピン相関を生じさせたり抑制させたりする上で、どのような役割を果たすか？
• RQ5 理論的期待に反して、EAGLEなどの一部のシミュレーションで相関が見られないのはなぜか？

主な発見

• IllustrisTNGおよびAurigaシミュレーションでは、銀河サイズ（r₁/₂/R₂₀₀）とハロースピンパラメータ λ の間に中程度の正の相関が認められ、ミルキーウェイ質量銀河ではSpearman相関係数が ρ = 0.50 ± 0.05 であった。
• 一方、EAGLEおよびApostleシミュレーションでは弱いまたは相関のない関係を示し、ミルキーウェイ質量銀河では ρ = 0.32 ± 0.07、矮星銀河では ρ = 0.02 ± 0.09 であった。
• IllustrisTNGおよびAurigaシミュレーションにおけるサイズ–スピン関係は、fⱼ = 0.5 を仮定した場合、特にミルキーウェイ質量銀河においてMMW98モデルと整合的であった。
• 両シミュレーションファミリーの矮星銀河では相関が弱く、r₁/₂/R₂₀₀–λ 関係の対数的勾配はMMW98予測と一致しなかった。
• シミュレーション結果の乖離（IllustrisTNG/Aurigaでは強い相関、EAGLEでは弱いまたは相関なし）は、スケール下の物理および流体力学ソルバーがサイズ–スピン関係の決定要因である可能性を示唆している。
• 著者らは、バリアオンサイクルの違いやフィードバック効率（例：AurigaではEAGLEに比べてより閉じたバリアオンサイクル）がAurigaにおける強い相関を説明している可能性を仮説として提示したが、これはさらなる調査を要する。