[論文レビュー] The THESAN project: galaxy sizes during the epoch of reionization

Xuejian Shen, Mark Vogelsberger+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2024

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文はThesan放射線-磁気流体力学シミュレーションを用いて z ≳ 6 の銀河のサイズを分析し、固有のサイズ–質量関係、巨大銀河におけるコンプション、観測されたUVサイズとの緊張を明らかにする。

ABSTRACT

We investigate galaxy sizes at redshift $z\gtrsim 6$ with the cosmological radiation-magneto-hydrodynamic simulation suite THESAN(-HR). These simulations simultaneously capture the reionization of the large-scale intergalactic medium and resolved galaxy properties. The intrinsic size ($r^{\ast}_{1/2}$) of simulated galaxies increases moderately with stellar mass at $M_{\ast} \lesssim 10^{8}\,{ m M}_{\odot}$ and decreases fast at larger masses, resulting in a hump feature at $M_{\ast}\sim 10^{8}\,{ m M}_{\odot}$ that is insensitive to redshift. Low-mass galaxies are in the initial phase of size growth and are better described by a spherical shell model with feedback-driven gas outflows competing with the cold inflows. In contrast, massive galaxies fit better with the disk formation model. They generally experience a phase of rapid compaction and gas depletion, likely driven by internal disk instability rather than external processes. We identify four compact quenched galaxies in the $(95.5\,{ m cMpc})^{3}$ volume of THESAN-1 at $z\simeq 6$, and their quenching follows reaching a characteristic stellar surface density akin to the massive compact galaxies at cosmic noon. Compared to observations, we find that the median UV effective radius ($R^{ m UV}_{ m eff}$) of simulated galaxies is at least three times larger than the observed ones at $M_{\ast}\lesssim 10^{9}\,{ m M}_{\odot}$ or $M_{ m UV}\gtrsim -20$ at $6 \lesssim z \lesssim 10$. This inconsistency, related to the hump feature of the intrinsic size--mass relation, persists across many other cosmological simulations with different galaxy formation models and demonstrates the potential of using galaxy morphology to constrain the physics of galaxy formation at high redshifts.

研究の動機と目的

• 再電離期(z ≳ 6)における銀河のサイズがどのように進化するかを放射-流体力学的枠組みで調べる。
• 広い星間質量範囲で固有のサイズ–質量関係とその進化を特徴づける。
• 初期銀河におけるサイズ成長、収縮、 quenched（星形成停止）を駆動する物理メカニズムを特定する。
• シミュレーション銀河のサイズをJWST観測と比較し、形態測定の不確実性を評価する。

提案手法

• 放射伝達を磁気流体力学とIllustrisTNGに基づく銀河形成モデルと結合させるthesanおよびthesan-hrシミュレーション・スイートを用いる。
• シミュレーションデータとモック画像から固有の3D星成分半質量半径（r*1/2）と2D有効半径（R_eff）を算出する。
• 星形成主系列（SFMS）に基づく0.2dexビニングと−1.0dexsSFR閾値で銀河を星形成中とquenchedに分類する後処理を行う。
• 塵・星雲放射、UV/可視帯を含む塵伝搬を考慮したSKIRT放射転送を用いたモック画像を生成し、 rest-frame UVおよびV帯でのサイズ測定を可能にする。
• 固有のサイズを質量と赤shiftsで比較し、観測されたUVサイズの結果と他の宇宙論シミュレーションと対比する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 thesanが予測する再電離期(z ≳ 6)における銀河の固有のサイズ–質量関係はどうなるか。
• RQ2 低質量銀河と巨大銀河のサイズ傾向はどう異なり、これらの傾向を駆動する物理過程は何か。
• RQ3 シミュレーション銀河のサイズはrest-frame UV/可視帯でJWST観測と一致するか、どの点で不一致が生じるか。
• RQ4 高赤方偏移での銀河のquenchedはサイズ進化と星表面密度とどのように関連するか。

主な発見

• 固有の銀河サイズはM* ≲ 10^8 Msunで質量とともに穏やかに増加し、それより大きな質量では急激に減少してM* ≈ 10^8 Msun付近にこぶが生じる。
• 低質量銀河は初期成長段階にあり、冷たい流は寒気流と競合するフィードバック駆動のアウトフローを伴う球対称シェルモデルでよりよく説明され、一方 Massive 系は盤形成と急速な圧縮・ガス枯渇に向かう。
• thesan-1ボリュームではz ≈ 6で4つのコンパクトなquenched銀河が見つかり、特徴的な星表面密度に到達した段階を経てquenchedが生じる。
• 観測と比較して、シミュレーション銀河の中央値UV有効半径は、M* ≲ 10^9 MsunまたはM_UV ≳ −20で6 ≲ z ≲ 10の領域で少なくとも3倍大きい；M* ≈ 10^8 Msunのコンパクトな（R_eff^UV ≲ 300 pc）銀河の母集団をシミュレーションは見逃している。
• これらの不整合は、異なるサブグリッド物理を用いた複数の宇宙論シミュレーションでも持続しており、高赤方偏移銀河形成物理の制約として銀河形態の潜在的可能性を示している。