[論文レビュー] The Modelling of Feedback Processes in Cosmological Simulations of Disk Galaxy Formation

Franziska Piontek, Matthias Steinmetz|ArXiv.org|Sep 23, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、はくちゅう銀河形成の宇宙論的シミュレーションにおいて、ミルキーウェイに類似したダークマターハローを用いてフィードバック過程を調査している。さまざまなフィードバックエネルギー分配法をテストし、UV背景、運動的フィードバック、金属依存冷却といった物理的プロセスを組み合わせることで、唯一の組み合わせがぶつぶち形成を低減することを発見したが、星形成質量分率は依然として高すぎる。これは、ディスク形成には単一の支配的メカニズムではなく、複数の微小スケールの物理的効果の協同的相互作用が必要であることを示唆している。

ABSTRACT

We present a systematic study of stellar feedback processes in simulations of disk galaxy formation. Using a dark matter halo with properties similar to the ones for the Milky Way's stellar halo, we perform a comparison of different methods of distributing energy related to feedback processes to the surrounding gas. A most promising standard model is applied to halos spanning a range of masses in order to compare the results to disk galaxy scaling relations. With few exceptions we find little or no angular momentum deficiency for our galaxies and a good agreement with the angular momentum-size relation. Our galaxies are in good agreement with the baryonic Tully-Fisher relation and the slope of the photometric Tully-Fisher relation is reproduced. We find a zero-point offset of 0.7 to 1 magnitudes, depending on the employed IMF. We also study our standard feedback model in combination with additional physical processes like a UV background, kinetic feedback, a delayed energy deposition as expected for type Ia supernovae, mass return and metal-dependent cooling. Only a combination of effects yields a real improvement of the resulting galaxy by reducing the bulge, while including metal-dependent cooling increases the bulge again. We find that in general the stellar mass fraction of our galaxies is too high. In an ad-hoc experiment we show that an removal of the bulge could reconcile this. However, the fit of the Tully-Fisher relation can only be improved by delaying the star formation, but not suppressing it completely. Our models do not seem to be efficient enough to achieve either effect. We conclude that disk formation is a complex, highly interconnected problem and we expect a solution to come from a combination of small effects.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションにおいて、現実的なディスク銀河を形成するために必要なフィードバックプロセスを特定すること。
• 異なるフィードバックエネルギー分配法が、シミュレートされた銀河の角運動量、形状、スケーリング関係に与える影響を調査すること。
• UV背景、運動的フィードバック、遅延型超新星、金属冷却などの複数の物理的プロセスを組み合わせることで、観測されたディスク銀河の性質との一致が向上するかどうかをテストすること。
• ハローの合体歴やダークマター濃度がディスク形成および安定性に果たす役割を評価すること。
• なぜシミュレートされた銀河がしばしば観測されたTully-Fisher関係および星形成質量-ハロー質量関係と一致しないのかを特定し、その乖離を是正する方法を同定すること。

提案手法

• 高スピンで合体が静穏な、ミルキーウェイに類似したダークマターハローをベースラインとして用い、ディスク銀河形成をシミュレートする。
• 周囲のガスに対するフィードバックエネルギー供給スキーム（例：即時的 vs. 遅延型、爆風 vs. 熱的）を体系的に比較する。
• キャリブレーション済みの「標準モデル」フィードバックスキームを、質量および合体歴の異なる複数のハローのサンプルに適用する。
• 追加の物理的プロセスを組み込む：UV背景、運動的フィードバック、Ia型超新星の遅延エネルギー放出、質量還元、金属依存冷却。
• GADGET2を用い、放射冷却を組み込み、星形成質量、角運動量、明るさを自己一貫的に追跡することで、銀河のスケーリング関係を評価する。
• 星形成の遅延やぶつぶちの削除がTully-Fisher関係および星形成質量-ハロー質量関係に与える影響を検証するためのアドホック実験を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのフィードバックエネルギー分配法が角運動量を最もよく保持し、現実的なスケーリング関係を持つディスク優勢の銀河を生成するか？
• RQ2 UV背景、金属依存冷却、運動的フィードバックなどの物理的プロセスの組み合わせが、ぶつぶち形成およびディスク安定性にどのように影響するか？
• RQ3 なぜシミュレートされた銀河は星形成質量分率が高く、Tully-Fisher関係および星形成質量-ハロー質量関係との一致が悪いのか？
• RQ4 星形成を遅らせるかぶつぶちを削除することで、シミュレートされた銀河を観測されたスケーリング関係に一致させられるか？
• RQ5 ハローの性質（例：濃度、合体歴）が、宇宙論的シミュレーションにおけるディスク形成の成功にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 標準フィードバックモデルは、角運動量不足がほとんどなく、角運動量-サイズ関係とも良好に一致する銀河を生成する。
• シミュレートされた銀河は光度的Tully-Fisher関係の傾きを再現するが、初期質量関数（IMF）に応じてゼロポイントが0.7〜1マグニチュードのオフセットを示す。
• ぶつぶちを低減するのは、運動的フィードバック、UV背景、遅延型超新星エネルギー放出の組み合わせに限られるが、金属依存冷却はぶつぶちを増大させる。
• すべてのモデルで星形成質量分率が依然として高すぎる。ぶつぶちを単に削除してもTully-Fisher関係は改善されるが、星形成質量-ハロー質量関係には改善されない。
• 星形成を遅らせるのはTully-Fisher関係の適合を改善するが、星形成を完全に抑制しても改善せず、フィードバック効率が不十分であることを示唆する。
• 結果から、ΛCDMにおける現実的なディスク形成には、単一の支配的メカニズムではなく、複数の微小スケールの物理的効果の協同的相互作用が必要であると考えられる。