[논문 리뷰] A Comparison between Semi-Analytic Model Predictions for the CANDELS Survey

Yu Lu, Risa H. Wechsler외 14명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 64

한 줄 요약

이 연구는 동일한 Bolshoi N-body 시뮬레이션의 은하군에서 동일한 국소적 별질량 함수를 일치시키기 위해 베이지안 추론을 사용한 세 가지 독립적인 반분석적 은하 형성 모델을 비교한다. 복잡한 피드백 및 별 형성 규정이 다르지만, 모델들은 유사한 별질량 적립 역사를 예측하지만, 금속성-별질량 관계와 별 형성률에서 뚜렷한 괴리가 나타나며, 이는 어두운 끝부분의 별질량 함수를 일치시키는 것과 관측된 금속성 제약 조건 사이에 근본적인 갈등을 드러낸다.

ABSTRACT

We compare the predictions of three independently developed semi-analytic galaxy formation models that are being used to aid in the interpretation of results from the CANDELS survey. These models are each applied to the same set of halo merger trees extracted from the "Bolshoi" simulation and are carefully tuned to match the local galaxy stellar mass function using the powerful method of Bayesian Inference coupled with MCMC or by hand. The comparisons reveal that in spite of the significantly different parameterizations for star formation and feedback processes, the three models yield qualitatively similar predictions for the assembly histories of galaxy stellar mass and star formation over cosmic time. We show that the SAMs generally require strong outflows to suppress star formation in low-mass halos to match the present day stellar mass function. However, all of the models considered produce predictions for the star formation rates and metallicities of low-mass galaxies that are inconsistent with existing data and diverge between the models. We suggest that large differences in the metallicity relations and small differences in the stellar mass assembly histories of model galaxies stem from different assumptions for the outflow mass-loading factor. Importantly, while more accurate observational measurements for stellar mass, SFR and metallicity of galaxies at 1

연구 동기 및 목표

• CANDELS 조사에 대해 세 가지 독립적으로 개발된 반분석적 은하 형성 모델의 예측 일致성을 평가하기 위해.
• 별 형성 및 피드백 과정의 다른 매개변수화가 국소적 별질량 함수를 일치시키기 위해 조정된 후에도 예측이 어떻게 다를 수 있는지 평가하기 위해.
• 특히 금속성, 별 형성률, 휴면 비율 등 어떤 관측량이 모델 간의 차이를 가장 강하게 구분하는지 특정하기 위해.
• 특히 1 < z < 5 범위의 저질량 은하에서 모델 예측과 관측치 사이의 지속적인 괴리점을 부각하기 위해.
• 모의 빛자루 카탈로그를 통해 체계적 편향과 불확실성을 정량화하여, 향후 CANDELS 데이터 해석을 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 Bolshoi N-body 시뮬레이션에서 유도된 동일한 은하군 융합 트리에 대해 세 가지 다른 반분석 모델(Lu, Croton, Behroozi)을 적용하기 위해.
• 국소적 은하 별질량 함수를 재현하기 위해 마르코프 체인 몽테카를로(MCMC) 또는 수동 조정을 사용한 베이지안 추론을 통해 모델 매개변수를 校정하기 위해.
• 우주의 시간에 따라(지수적 적색편이 z = 0에서 z = 8까지) 별질량, 별 형성률, 금속성, 휴면 비율 등 은하 성질을 예측하기 위해.
• 피드백 및 별 형성 규정에 기인한 차이를 분리하기 위해 동일한 적색편이 및 질량 구간에서 모델 출력을 직접 비교하기 위해.
• CANDELS 조사의 기하학적 특성과 일치하는 빛자루에 기반한 모의 은하 카탈로그를 구축하여 관측 편향과 불확실성을 평가하기 위해.
• 금속성-별질량 관계의 진화를 분석하고, 특히 외출 질량 적재 요소가 모델 간 차이를 이끄는 역할을 중심으로 집중하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 국소적 별질량 함수를 일치시키기 위해 校정된 세 가지 독립적으로 개발된 반분석 모델이 은하 별질량 적립력과 별 형성력 예측에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 피드백 및 별 형성 매개변수화의 차이가 금속성-별질량 관계와 그 진화에 대해 얼마나 다를 수 있는가?
• RQ3 국소적 별질량 함수의 어두운 끝부분 기울기를 성공적으로 재현하는 모델들이 왜 저질량 은하의 관측된 금속성을 일치시키지 못하는가?
• RQ4 금속성, 별 형성률, 휴면 비율 등 어떤 관측량이 모델 간 가장 큰 괴리가 나타나며, 따라서 가장 강력한 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 이러한 모델에서 유도된 모의 빛자루 카탈로그는 체계적 편향을 정량화함으로써 CANDELS 조사 데이터의 해석을 어떻게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 다른 매개변수화에도 불구하고 세 모델은 은하 별질량의 간접적 적립력과 별 형성률에 대해 정성적으로 유사한 예측을 한다.
• 모든 모델는 국소적 별질량 함수의 어두운 끝부분 기울기를 일치시키기 위해 저질량 은하군에서 강한 외출(최대 약 ~1 M☉ yr⁻¹)이 필요하다고 요구한다.
• 모델들은 관측된 것보다 훨씬 더 급격한 금속성-별질량 관계를 예측하며, 피드백에 의한 금속 탈출이 효율적인 Lu 모델이 가장 급격한 관계를 예측한다.
• 재열된 가스를 은하군에 유지하는 Croton 모델은 저질량 은하에서 가장 높은 금속성을 예측하지만, 고적색편이에서 동일 질량에 대해 Lu 모델은 가장 낮은 금속성을 예측한다.
• 금속성-별질량 관계의 진화 경향은 모델 간에 뚜렷하게 다름을 보이며, 이는 피드백 매개변수화—특히 외출 질량 적재 요소—가 모델 간 괴리의 주요 원인임을 시사한다.
• 1 < z < 5 범위의 저질량 은하에서 금속성과 별 형성률에 대한 모델 예측과 관측치 사이의 괴리는 현재 은하 형성 피드백 모델링의 근본적인 문제를 드러낸다.