[논문 리뷰] Dark matter deficient galaxies in the Illustris flat-$Λ$CDM model structure formation simulation

Hai Yu, Bharat Ratra외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 16.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 평탄한 ΛCDM 천체물리 모의 실험인 Illustris를 사용하여 어두운 물질이 부족한 은하—M_dm/M_star < 1인 은하—의 형성과 퍼짐을 조사한다. 이들 은하는 시뮬레이션에서 흔히 나타나며, 실제로도 존재할 가능성이 크며, ΛCDM 및 어두운 물질 물리학의 핵심 검증 도구가 될 수 있다.

ABSTRACT

Surveying dark matter deficient galaxies (those with dark matter mass to stellar mass ratio $M_{ m dm}/M_{ m star}&lt;1$) in the Illustris simulation of structure formation in the flat-$Λ$CDM cosmogony, we find $M_{ m star} \approx 2 imes 10^8\, M_\sun$ galaxies that have properties similar to those ascribed by \citet{vanDokkumetal2018a} to the ultra-diffuse galaxy NGC1052-DF2. The Illustris simulation also contains more luminous dark matter deficient galaxies. Illustris galaxy subhalo 476171 is a particularly interesting outlier, a massive and very compact galaxy with $M_{ m star} \approx 9 imes 10^{10}\, M_\sun$ and $M_{ m dm}/M_{ m star} \approx 0.1$ and a half-stellar-mass radius of $\approx 2$ kpc. If the Illustris simulation and the $Λ$CDM model are accurate, there are a significant number of dark matter deficient galaxies, including massive luminous compact ones. It will be interesting to observationally discover these galaxies, and to also more clearly understand how they formed, as they are likely to provide new insight into and constraints on models of structure formation and the nature of dark matter.

연구 동기 및 목표

• Illustris ΛCDM 시뮬레이션에서 어두운 물질이 부족한 은하의 빈도와 특성을 규명하는 것.
• 이전에 M_dm/M_star 가 낮은 것으로 보고된 NGC1052-DF2와 유사한 은하가 표준 ΛCDM 틀 안에서 자연스럽게 형성될 수 있는지 평가하는 것.
• 특히 질량이 크고 뭉툭한 어두운 물질이 극도로 부족한 은하의 형성 메커니즘을 조사하는 것.
• 은하의 별질량과 빛의 세기 기반으로 이러한 은하의 관측 가능성을 평가하는 것.
• 이러한 은하가 구조 형성과 어두운 물질 모델에 새로운 제약 조건을 제공할 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 평탄한 ΛCDM에서의 구조 형성에 대한 대규모 유체역학적 천체물리 시뮬레이션인 Illustris 시뮬레이션 분석.
• M_dm/M_star < 1인 하위은하를 식별하여 어두운 물질이 부족한 은하로 분류.
• 특정 하위은하, 특히 subhalo 476171의 역학적 역사 추적을 위해 시간에 따른 스냅샷의 입자 데이터 사용.
• 별질량과 어두운 물질 질량, 반질량 반경, 운동학적 성질을 측정하여 은하의 구조 및 역학적 특성 기술.
• NGC1052-DF2 및 기타 초희박 은하의 관측 제약 조건과 시뮬레이션된 은하 통계 비교.
• 통계 분석을 통해 M_star ≈ 2×10^8 M_sun 또는 M_star ≈ 10^9 M_sun인 은하 중 어두운 물질이 부족한 비율 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Illustris ΛCDM 시뮬레이션에서 M_dm/M_star < 1인 어두운 물질이 부족한 은하는 얼마나 흔한가?
• RQ2 M_dm/M_star 가 낮고 별질량이 중간 수준인 NGC1052-DF2와 유사한 은하가 ΛCDM에서 자연스럽게 형성될 수 있는가?
• RQ3 M_dm/M_star ≈ 0.1인 매우 어두운 물질이 부족한 거대 은하, 예를 들어 subhalo 476171의 형성에 관여하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 ΛCDM 모델에서 M_star ≈ 2×10^8 M_sun 또는 M_star ≈ 10^9 M_sun인 은하 중 어두운 물질이 부족한 비율은 어느 정도인가?
• RQ5 이러한 어두운 물질이 부족한 은하는 관측적으로 탐지 가능할 수 있으며, 어두운 물질 물리학의 탐사 도구로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• Illustris 시뮬레이션은 M_star ≈ 2×10^8 M_sun이며 M_dm/M_star < 1인 어두운 물질이 부족한 은하를 상당수 생성한다. 이는 NGC1052-DF2와 유사하다.
• 더 밝고 질량이 큰 어두운 물질이 부족한 은하도 시뮬레이션에 존재하며, 특히 M_star ≈ 9×10^10 M_sun, M_dm/M_star ≈ 0.1인 subhalo 476171이 포함되어 있다.
• subhalo 476171은 반별질량반경 ≈2 kpc로, 구조적으로 이질적인 특성을 띠는 뭉툭한 거대 은하이다.
• subhalo 476171의 형성은 부모 헬로에서 단단히 결합된 별집단이 탈출하면서 대부분의 어두운 물질가 손실되었고, 별의 구조는 유지된 것으로 보인다.
• 시뮬레이션은 ΛCDM 모델에서 M_star ≈ 2×10^8 M_sun인 은하 중 0.7% 이상, M_star ≈ 10^9 M_sun인 은하 중 0.4% 이상이 M_dm/M_star < 1일 것으로 예측한다.
• r-대역 등급 ≈-21이므로, subhalo 476171는 깊은 광학 탐사에서 탐지 가능할 정도로 밝으며, 관측 목표로 매우 적합하다.