[논문 리뷰] Cold Mode Accretion in Galaxy Formation

Andrew Benson, R. G. Bower|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 Birnboim & Dekel (2003)의 충격 안정성 기준을 사용하여 Galform 반분석 모델에 냉모드 응축을 구현하여, 냉모드 응축이 고적색도에서 은하로의 가스 유입을 크게 증가시키지만, 특히 초신성에 의해 유도되는 외부 힘과 같은 피드백이 포함된 경우 저적색도에서 별 형성률과 은하 성질에 미치는 영향은 미미하다는 것을 발견하였다. 주요 결과는 피드백이 응축 방식보다 은하 진화를 더 지배한다는 것이며, 이는 기존 표준 모델에서 냉모드 물리학이 이전에 생각한 것만큼 중요하지 않다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

A generic expectation for gas accreted by high mass haloes is that it is shock heated to the virial temperature of the halo. In low mass haloes, or at high redshift, however, the gas cooling rate is sufficiently rapid that an accretion shock is unlikely to form. Instead, gas can accrete directly into the centre of the halo in a `cold mode' of accretion. Although semi-analytic models have always made a clear distinction between hydrostatic and rapid cooling they have not made a distinction between whether or not an accretion shock forms. Starting from the well-established Galform code, we investigate the effect of explicitly accounting for cold mode accretion using the shock stability model of Birnboim & Dekel. When we modify the code so that there is no effective feedback from galaxy formation, we find that cold mode accretion is the dominant channel for feeding gas into the galaxies at high redshifts. However, this does not translate into a significant difference in the star formation history of the universe compared to the previous code. When effective feedback is included in the model, we find that the the cold mode is much less apparent because of the presence of gas ejected from the galaxy. Thus the inclusion of the additional cold mode physics makes little difference to basic results from earlier semi-analytic models which used a simpler treatment of gas accretion. For more sophisticated predictions of its consequences, we require a better understanding of how the cold mode delivers angular momentum to galaxies and how it interacts with outflows.

연구 동기 및 목표

• 반분석 모델에서 충격가열 없이 응축하는 가스가 은하 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 이전 모델에서 냉모드 처리를 명시적으로 포함하지 않은 것이 별 형성률 및 항성 질량 분율과 같은 은하 성질 예측에 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 초신성에 의해 유도되는 외부 힘과 각운동량 이동이 냉모드 응축이 은하로 가스를 공급하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 냉모드 응축이 특히 고적색도에서 은하 형성 결과에 정성적 변화를 유도하는지 결정하기 위해.
• 냉모드 물리학의 포함이 관측 데이터를 잘 맞추기 위해 모델 파rameter를 재조정이 필요로 하는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• Birnboim & Dekel (2003)의 충격 안정성 기준을 사용하여 Galform 반분석 모델을 수정하여 냉모드 응축을 구현하였으며, 이 기준은 충격 후 가스의 냉각 시간에 따라 비틀림 충격이 형성되는지 여부를 결정한다.
• 우주론적 진화 모델에서 허브의 질량과 적색도에 따라 뜨거운 모드 응축(충격가열)과 냉모드 응축(충격미가열)을 구분하며, 저질량 은하 또는 고적색도에서 냉모드가 주 dominance를 차지한다.
• 냉류를 통해 은하로의 가스 유입을 추적하며, 허브 중심 근처에서 마찰이나 내부 충격을 통해 에너지를 손실함으로써 디스크에 도달할 수 있도록 가정한다.
• 냉모드 응축과의 상호작용을 평가하기 위해 초신성에 의해 유도되는 외부 힘과 AGN 피드백을 모델에 포함시켰으며, 특히 가스 함량과 별 형성률 조절에 미치는 영향을 분석하였다.
• 디스크의 천체역학적 시간를 계산하여, 냉모드 가스에서 온 각운동량이 디스크 안정성과 별 형성 효율성에 어떤 영향을 미치는지 평가하였다.
• 냉모드 응축이 있는 모델과 없는 모델을 피드백 유무에 따라 비교하여, 다양한 적색도에서 응축 방식이 은하 성질에 미치는 영향을 분리적으로 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반분석 모델에 냉모드 응축을 명시적으로 포함할 경우, 우주의 별 형성 역사 예측에 상당한 영향을 미치는가?
• RQ2 초신성에 의해 유도되는 외부 힘이 냉모드로 응축된 가스의 유지 및 영향력에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 냉모드 응축이 은하 디스크의 각운동량 함량과 천체역학적 시간에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 냉모드 응축은 특히 고적색도에서 별과 간성간 매질의 총 비율질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 냉모드 응축은 냉모드가 없는 모델과 비교해 은하의 등급함수나 크기에 정성적 변화를 유도하는가?

주요 결과

• 피드백이 없는 경우, 고적색도(z ≳ 6)에서 냉모드 응축이 은하로의 가스 유입 채널로 주도적이며, 가스 유입률을 크게 증가시킨다.
• 높은 가스 유입에도 불구하고, 더 높은 각운동량 함량으로 인한 더 긴 디스크 천체역학적 시간으로 인해 z ≳ 3에서 별 형성률은 냉모드 응축의 영향을 거의 받지 않는다.
• 초신성에 의해 유도되는 외부 힘이 포함된 모델에서는 z = 0에서 냉모드와 뜨거운 모드 모델 간의 총 비율질량(별 + ISM 가스)의 차이가 미미하여, 피드백이 응축 방식보다 지배적임을 시사한다.
• 외부 힘이 없는 경우, 고질량 허브에서 냉모드 응축은 디스크 천체역학적 시간을 3배 이상 증가시키지만, 외부 힘이 포함된 경우 이 효과는 감소한다.
• 냉모드 응축의 포함은 z = 0에서 은하의 등급함수나 크기 예측에 정성적 변화를 유도하지 않아, 이전의 반분석 모델이 여전히 타당함을 시사한다.
• 냉모드 응축의 효과는 피드백에 매우 민감하며, 외부 힘이 냉모드 가스의 유지보다 응축 방식 전환보다 더 강하게 억제한다. 이는 냉모드 예측의 정확성을 확보하기 위해 피드백을 정확히 모델링해야 한다는 것을 의미한다.