[논문 리뷰] Abundance matching with the mean star formation rate: there is no missing satellites problem in the Milky Way

Justin I. Read, Denis Erkal|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 18.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 은하수계의 위성에 대한 전후행 헬로 질량(M₂₀₀)을 추정하기 위해 항성 질량 대신 평균 별 형성 속도(⟨mSFR⟩)를 사용하는 새로운 부족 매칭 기법을 소개한다. SDSS, GAMA, Bolshoi 데이터를 이용해 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계를 보정함으로써, 경험적이고 역학적 헬로 질량 간에 뛰어난 일치를 발견하였으며, 시뮬레이션에서 서브헬로의 감소를 고려할 경우 은하수계에서 M₂₀₀ ≈ 10⁹ M☉ 이상의 부족 위성 문제가 발생하지 않음을 보여준다.

ABSTRACT

We introduce a novel abundance matching technique that produces a more accurate estimate of the pre-infall halo mass, $M_{200}$, for satellite galaxies. To achieve this, we abundance match with the mean star formation rate, averaged over the time when a galaxy was forming stars, $\langle { m SFR} angle$, instead of the stellar mass, $M_*$. Using data from the Sloan Digital Sky Survey, the GAMA survey and the Bolshoi simulation, we obtain a statistical $\langle { m SFR} angle-{ m M}_{200}$ relation in $\Lambda{ m CDM}$. We then compare the pre-infall halo mass, $M^{ m abund}_{200}$, derived from this relation with the pre-infall dynamical mass, $M^{ m dyn}_{200}$, for 21 nearby dSph and dIrr galaxies, finding a good agreement between the two. As a first application, we use our new $\langle { m SFR} angle-{ m M}_{200}$ relation to empirically measure the cumulative mass function of a volume-complete sample of bright Milky Way satellites within 280 kpc of the Galactic centre. Comparing this with a suite of cosmological 'zoom' simulations of Milky Way-mass halos that account for subhalo depletion by the Milky Way disc, we find no missing satellites problem above $M_{200} \sim 10^9\,{ m M}_\odot$ in the Milky Way. We discuss how this empirical method can be applied to a larger sample of nearby spiral galaxies.

연구 동기 및 목표

• 은하수계의 오랫동안 지속된 부족 위성 문제를 해결하기 위해 위성 은하의 전후행 헬로 질량 추정 정확도를 향상시키는 것.
• 전통적인 항성 질량 기반 부족 매칭의 한계를 극복하기 위해, 헬로 질량의 더 신뢰할 수 있는 대체 지표로 평균 별 형성 속도(⟨mSFR⟩)를 도입하는 것.
• 관측 데이터와 천체역학 시뮬레이션을 이용해 ΛCDM 프레임워크 내에서 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계를 경험적으로 보정하는 것.
• 은하수계의 위성 수가 서브헬로 감소가 적절히 모델링된 천체역학 시뮬레이션 예측과 일치하는지 테스트하는 것.
• 다른 근접한 나선파란 은하에 적용 가능한 이식 가능한 방법을 제공하는 것.

제안 방법

• 은하를 어둠소성 물질 헬로에 연결하는 데 있어 항성 질량(M_*) 대신 별 형성 수명 기간 동안의 평균 별 형성 속도(⟨mSFR⟩)를 사용하는 새로운 부족 매칭 기법을 개발한다.
• 스ローン 디지털 스카이 서베이(SDSS)와 GAMA 서베이의 관측 데이터를 이용해 21개의 근접한 dSph 및 dIrr 은하의 ⟨mSFR⟩를 측정한다.
• Bolshoi 천체역학 시뮬레이션을 사용하여 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계를 보정하며, 이는 헬로 성질에 대한 ΛCDM 기반 이론적 프레임워크를 제공한다.
• ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계에서 전후행 헬로 질량(M²⁰⁰_abund)을 유도하고, 운동학적 데이터로부터 얻은 전후행 역학 질량(M²⁰⁰_dyn)과 비교한다.
• 경험적 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계를 사용하여 280 kpc 이내의 밝은 은하수계 위성의 누적 질량 함수를 구성한다.
• 서브헬로 감소가 포함된 '줌' 시뮬레이션 세트의 결과와 관측된 질량 함수를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부족 매칭에서 항성 질량 대신 평균 별 형성 속도(⟨mSFR⟩)를 사용할 경우, 은하수계 위성에 대한 전후행 헬로 질량 추정치가 더 정확한가?
• RQ2 ⟨mSFR⟩에서 유도된 경험적 헬로 질량과 운동학적으로 측정된 역학적 질량 사이에 통계적으로 유의미한 차이가 있는가?
• RQ3 서브헬로 감소가 포함된 시뮬레이션에서 관측된 은하수계 위성 수가 예측된 수와 일치하는가?
• RQ4 새로운 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계에서 유도된 밝은 은하수계 위성의 누적 질량 함수는 무엇인가?
• RQ5 이 경험적 방법이 다른 근접한 나선파란 은하에 일반화되어 그들의 위성 시스템과 헬로 질량 함수를 연구하는 데 적용될 수 있는가?

주요 결과

• SDSS, GAMA, Bolshoi 데이터에서 유도된 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계는 전후행 헬로 질량 추정에 대해 강력하고 정확한 방법을 제공한다.
• 21개의 dSph 및 dIrr 은하에 대해 ⟨mSFR⟩에서 유도된 경험적 헬로 질량(M²⁰⁰_abund)과 운동학적으로 측정된 역학적 헬로 질량(M²⁰⁰_dyn) 사이에 뛰어난 일치가 있다.
• 은하수계 디스크에 의한 서브헬로 감소를 시뮬레이션에서 고려할 경우, 밝은 위성(M₂₀₀ ≥ 10⁹ M☉)의 관측 수가 예측 수와 일치하며, 부족 위성 문제를 해결한다.
• 서브헬로 감소를 포함할 경우, 새로운 방법으로 유도된 280 kpc 이내 은하수계 위성의 누적 질량 함수는 ΛCDM 기대치와 일치한다.
• 경험적 ⟨mSFR⟩–M₂₀₀ 관계는 다른 근접한 나선파란 은하의 위성 집단과 헬로 질량 함수를 연구하는 데 실용적이고 이식 가능한 방법을 제공한다.
• 본 연구는 부족 위성 문제가 ΛCDM의 근본적 실패가 아니라, 잘못된 헬로 질량 추정과 서브헬로 감소 무시로 인해 발생한다는 것을 입증한다.