[논문 리뷰] Cosmic Dawn II (CoDa II): a new radiation-hydrodynamics simulation of the self-consistent coupling of galaxy formation and reionization

Pierre Ocvirk, Dominique Aubert외 11명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 102인용 수 2

한 줄 요약

Cosmic Dawn II (CoDa II)는 94 Mpc 박스에 4096³개의 입자와 격자 요소를 사용하여 z ≈ 10에서 z < 6까지의 대규모 자가일관성 있는 복사력-유체역학 시뮬레이션을 제공한다. CoDa I에 비해 미세구조 별도의 별 형성 모델을 재교정함으로써 재이온화 시기를 z ≳ 6으로 앞당기고, 관측된 라이만-알파 투과도와 CMB의 광학적 두께를 성공적으로 일치시키며, 고적색도 관측과 일치하는 UV 빛의 세기 함수를 예측하고, 은하수와 M31가 개별적인 섬으로서 고립된 채로 재이온화되었음을 보여준다.

ABSTRACT

Cosmic Dawn II (CoDa II) is a new, fully-coupled radiation-hydrodynamics simulation of cosmic reionization and galaxy formation and their mutual impact, to redshift $z < 6$. With $4096^3$ particles and cells in a 94 Mpc box, it is large enough to model global reionization and its feedback on galaxy formation while resolving all haloes above $10^8$ M$_{\odot}$. Using the same hybrid CPU-GPU code RAMSES-CUDATON as CoDa I in Ocvirk et al. (2016), CoDa II modified and re-calibrated the subgrid star-formation algorithm, making reionization end earlier, at $z \gtrsim 6$, thereby better matching the observations of intergalactic Lyman-alpha opacity from quasar spectra and electron-scattering optical depth from cosmic microwave background fluctuations. CoDa II predicts a UV continuum luminosity function in good agreement with observations of high-z galaxies, especially at $z = 6$. As in CoDa I, reionization feedback suppresses star formation in haloes below $\sim 2 imes 10^9$ M$_{\odot}$, though suppression here is less severe, a possible consequence of modifying the star-formation algorithm. Suppression is environment-dependent, occurring earlier (later) in overdense (underdense) regions, in response to their local reionization times. Using a constrained realization of $\Lambda$CDM constructed from galaxy survey data to reproduce the large-scale structure and major objects of the present-day Local Universe, CoDa II serves to model both global and local reionization. In CoDa II, the Milky Way and M31 appear as individual islands of reionization, i.e. they were not reionized by the progenitor of the Virgo cluster, nor by nearby groups, nor by each other.

연구 동기 및 목표

• 대규모 천체역학적 체계에서 은하 형성과 우주 재이온화의 자가일관성 있는 결합을 모델링하기 위해.
• 이전 시뮬레이션에 비해 미세구조 물리 모델을 재교정하여 재이온화에 대한 관측 제약 조건을 더 잘 만족시키기 위해.
• 재이온화의 환경 의존성과 저질량 은하 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 제약 조건이 부여된 초기 조건을 사용하여 국소 우주, 특히 은하수와 M31의 재이온화 역사를 시뮬레이션하기 위해.

제안 방법

• 시뮬레이션은 하이브리드 CPU-GPU 코드 RAMSES-CUDATON을 사용하여 94 Mpc의 공동 운동 체적에서 중력, 유체역학, 복사 전달을 해결한다.
• 이전 재이온화 시기를 z ≳ 6에서 재현할 수 있도록 수정된 미세구조 별 형성 알고리즘을 포함한다.
• 은하의 이온화 복사 에너지를 모델링하기 위해 주파수 평균화 및 다중 주파수 접근 방식을 사용하여 복사 전달을 해결한다.
• 지역 은하 조사 데이터를 기반으로 한 초기 조건을 사용하여 현재 국소 우주의 대규모 구조와 주요 천체를 재현한다.
• 모든 10⁸ M⊙ 이상의 군집을 해상도를 높여 해결하고, 간성간 매질의 이온화 상태를 고공간 및 고시간 해상도로 추적한다.
• UV 빛의 세기 함수는 magnitude의 8개 온도에 걸쳐 계산되며, 시뮬레이션 체적 전반에서 이온화 시기의 시각화를 위해 재이온화 지도가 생성된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미세구조 별 형성 모델을 재교정함으로써 대규모 시뮬레이션에서 우주의 재이온화 시기와 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 재이온화 피드백이 저질량 군집(M < 2 × 10⁹ M⊙)의 별 형성에 얼마나 억제 작용을 하는가? 이는 환경에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 이 시뮬레이션은 관측된 간성간 라이만-알파 투과도와 CMB 전자 산란 광학 두께를 재현할 수 있는가?
• RQ4 은하수와 M31는 고립된 섬으로서 재이온화되었는가, 아니면 바이르고 은하단이나 다른 주변 대규모 구조의 영향을 받았는가?
• RQ5 z = 6에서 예측된 UV 빛의 세기 함수는 현재의 고적색도 은하 관측 데이터와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• CoDa II에서는 재이온화가 z ≳ 6에서 종료되며, 퀘이사 스펙트럼과 우주 마이크파온배광 배경의 제약 조건과 일치한다. 이는 이전의 CoDa I 시뮬레이션보다 향상된 결과이다.
• CoDa II에서의 UV 연속 스펙트럼 빛의 세기 함수는 z = 6에서 관측 데이터와 잘 일치하며, 특히 어두운 magnitude 영역에서 뛰어나다.
• 재이온화 피드백은 2 × 10⁹ M⊙ 이하의 군집에서 별 형성을 억제하지만, 재교정된 별 형성 모델 덕분에 CoDa I에 비해 억제 정도가 덜하다.
• 과밀도 영역에 있는 은하는 과소밀도 영역에 있는 은하보다 일찍 별 형성을 멈추며, 이는 지역적 재이온화 시기의 반영이다.
• 은하수와 M31는 재이온화의 개별적인 섬으로 확인되었으며, 이는 바이르고 은하단, 주변 군집, 또는 상호작용으로 인한 재이온화가 아니었음을 시사한다.
• 시뮬레이션은 이온화 UV 배경이 저질량에서 별 형성률-군집 질량 관계를 기울여 세우며, 이 효과가 복사 피드백과 강력하게 연결되어 있음을 보여준다.