[論文レビュー] Understanding the circumgalactic medium is critical for understanding galaxy evolution

Molly S. Peeples, Peter Behroozi+70 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、銀河の周囲に存在するガスのハロー（円銀河周囲媒体：CGM）を理解することが、銀河進化の根本的謎を解明する上で不可欠であると主張している。2020年代にかけて高分解能で空間的に解像された観測および宇宙論的流体力学的シミュレーションの進展により、ガス降着、フィードバック、金属輸送、銀河の停止現象といった問題の理解に飛躍的進展が見込まれる。その背景には、CGMが宇宙の歴史にわたり星形成とバリオンサイクルを制御する役割を果たしていることが背景にある。

ABSTRACT

Galaxies evolve under the influence of gas flows between their interstellar medium and their surrounding gaseous halos known as the circumgalactic medium (CGM). The CGM is a major reservoir of galactic baryons and metals, and plays a key role in the long cycles of accretion, feedback, and recycling of gas that drive star formation. In order to fully understand the physical processes at work within galaxies, it is therefore essential to have a firm understanding of the composition, structure, kinematics, thermodynamics, and evolution of the CGM. In this white paper we outline connections between the CGM and galactic star formation histories, internal kinematics, chemical evolution, quenching, satellite evolution, dark matter halo occupation, and the reionization of the larger-scale intergalactic medium in light of the advances that will be made on these topics in the 2020s. We argue that, in the next decade, fundamental progress on all of these major issues depends critically on improved empirical characterization and theoretical understanding of the CGM. In particular, we discuss how future advances in spatially-resolved CGM observations at high spectral resolution, broader characterization of the CGM across galaxy mass and redshift, and expected breakthroughs in cosmological hydrodynamic simulations will help resolve these major problems in galaxy evolution.

研究の動機と目的

• バリオンおよび金属の循環における役割から、CGMが銀河進化を理解する上で中心的要素であることを確立すること。
• 銀河進化科学の進展を妨げるCGMの組成、構造、力学的性質に関する重要な知識の空白を特定すること。
• 銀河形成の長年の問題を解消するため、2020年代にわたり観測的・理論的進展を連携して推進することを提唱すること。
• CGMの性質と銀河スケールの現象（例：星形成の停止、化学的進化、衛星の進化）を結びつけること。
• IGMの再イオン化およびハロー占有に関する理解において、CGMが不可欠であることを位置づけること。

提案手法

• クェーサーおよび銀河の視線におけるCGM吸収線の高スペクトル分解能・空間解像度観測を活用すること。
• 多波長調査を拡大し、さまざまな銀河質量、環境、赤方偏移においてCGMをマッピングすること。
• フィードバックおよび金属輸送のための改善された小スケールモデルを備えた次世代の宇宙論的流体力学的シミュレーションと統合すること。
• 統計的スタッキング法およびトモグラフィー的マッピングを用いて、CGMの3次元的構造と運動を推定すること。
• 複数エポックの観測を組み合わせ、時間に依存するCGMの進化およびガスの流入・流出を追跡すること。
• 機械学習およびデータ駆動型モデリングを応用し、複雑なCGMの発光および吸収の特徴を解釈すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CGMはどのようにガスの降着を制御し、星形成の歴史に影響を与えているのか？
• RQ2 CGMはどのようにガリクシスケールのフィードバックと金属のリサイクルに寄与しているのか？
• RQ3 CGMの性質は、銀河質量、環境、赤方偏移に応じてどのように変化し、その傾向を引き起こす要因は何か？
• RQ4 CGMはどのようにして大質量銀河における星形成の停止を引き起こしているのか？
• RQ5 CGMはIGMの再イオン化および宇宙バリオン予算にどのように寄与しているのか？

主な発見

• CGMはバリオンおよび金属の主要な貯留源であり、銀河進化および宇宙バリオンサイクルにおいて中心的役割を果たしている。
• CGMの熱力学的性質、金属量、運動論的性質に関する観測的制約は依然として限定的であり、銀河進化モデルの主要なブottleneckとなっている。
• クェーサーおよび銀河の視線における高分解能分光観測により、流入・流出を伴う複雑な多相性ガス構造がCGMに存在することが明らかになった。
• 宇宙論的シミュレーションはCGMの詳細な性質を予測できるようになったが、金属量および温度プロファイルの乖離を解消するためには観測的補正が必要である。
• CGMは銀河からのフィードバックがIGMに及ぼす影響を媒介しており、ハロー成長および銀河の停止現象に寄与している。
• 今後の調査およびシミュレーションにより、特に2020年代にかけて空間的・スペクトル的分解能の向上に伴い、CGMが銀河進化に果たす役割が解明されると期待される。