[논문 리뷰] Do sub-millimeter galaxy number counts provide evidence for a top-heavy IMF?

Christopher C. Hayward, Desika Narayanan외 5명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 26.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 3차원 유체역학 시뮬레이션, 복사전달, 준경험적 융합률을 조합하여 마이크로미터 보다 작은 파장 대역에서 은하의 수량을 예측한다. 연구 결과, 기존의 초기 질량 함수(IMF) 모델이 비정상적인 IMF가 필요 없이 관측된 SMG 수량을 재현할 수 있음을 보여주며, 이는 이전에 고조도 별폭발에서 IMF 변화와 관련된 높은 SMG 수량을 주장한 바를 도전한다.

ABSTRACT

Theoretical models have had difficulty matching the observed number density of sub-millimeter galaxies (SMGs), causing some authors (e.g., Baugh et al. 2005) to suggest that SMGs provide evidence for a top-heavy initial mass function (IMF). To test this claim, we have, for the first time, combined high-resolution 3-D hydrodynamic simulations of isolated and merging massive, gas-rich galaxies, radiative transfer, and a semi-empirical merger rate model to predict the number density of SMGs. Our model can reproduce the observed SMG number density even when using a standard (Kroupa) IMF. The agreement is due to a combination of relatively long sub-mm duty cycles for mergers (a few times 10^8 years for our most massive models), which owe to our combination of high-resolution 3-D hydrodynamic simulations and dust radiative transfer; sufficient number densities of massive, gas-rich mergers; and the decrease in sub-mm counts observed by recent deep/wide surveys (e.g., Austermann et al. 2010) relative to previous surveys. Our results suggest that the observed SMG number counts do not provide evidence for a top-heavy IMF at high redshift.

연구 동기 및 목표

• 관측된 마이크로미터 보다 작은 파장 대역에서의 은하(SMG) 수량이 고조도 별성 활동 은하에서 비정상적인 초기 질량 함수(IMF)가 필요한지 테스트하기.
• 이론 모델과 관측 결과 사이의 오랫동안 지속된 괴리, 즉 기존의 표준 IMF 모델이 이전에 SMG 수량을 약 20배 정도 과소평가했던 문제를 해결하기.
• 고해상도 시뮬레이션과 복사전달을 사용하여 물리적으로 자율적인 모델을 개발하고, 비표준 IMF를 가정하지 않고 SMG 수밀 밀도를 예측하기.
• 관측된 SMG 수량이 비정상적인 IMF가 아니라 융합 유도 별폭발과 직업 주기의 영향을 받는지 평가하기

제안 방법

• z ≈ 3에서 고체적이고 기체가 풍부한 디스크 은하의 고해상도 3차원 유체역학 시뮬레이션을 Gadget-2를 사용하여 수행하였으며, 별폭발을 위한 충분한 자원을 확보하기 위해 기체 비율을 80%로 설정하였다.
• Sunrise 3D 적응 격자 다파장 몬테카를로-dust 복사전달 코드를 적용하여 자기 일관성 있는 스펙트럼 에너지 분포(SED), 특히 먼지 온도와 마이크로미터 보다 작은 파장에서의 복사원을 계산하였다.
• 관측된 융합 비율과 은하 질량 함수를 바탕으로 한 준경험적 융합률 모델을 사용하여 우주 시간에 따른 융합 시스템의 밀도를 추정하였다.
• 모든 시뮬레이션된 융합 단계를 통합하여 마이크로미터 보다 작은 파장에서의 수량을 계산하였으며, 초기 융합 단계에서의 비물리적 과대예측을 방지하기 위해 기체 비율이 60%를 초과하는 스냅샷은 제외하였다.
• 먼지 분포와 가열에 대한 불확실성을 평가하기 위해, 하위해상도 은하간간성간섭계(ISM) 모델의 냉각상태를 포함하거나 배제한 경우를 비교하여 결과의 강인성을 테스트하였다.
• 관측 제약 조건과의 일치를 검증하기 위해, SMG SED, CO 선 폭, 최근의 깊고 넓은 마이크로미터 보다 작은 파장 대역의 설문조사(예: Austermann et al. 2010)를 고려했으며, 이는 이전 설문조사에 비해 수량이 감소한 결과를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준(Kroupa) 초기 질량 함수가 비정상적인 IMF를 도입하지 않고도 관측된 마이크로미터 보다 작은 파장 대역에서의 은하 수밀 밀도를 재현할 수 있는가?
• RQ2 고립된 기체가 풍부한 디스크와 융합 유도 별폭발이 관측된 SMG 인구에 기여하는 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 모의된 융합의 마이크로미터 보다 작은 파장 대역에서의 직업 주기와 관측된 추정치는 어떻게 비교되며, 이는 SMG 수량 괴리 문제를 해결하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 하위해상도 ISM의 구조(예: 냉각상태 먼지 분포)에 대한 불확실성이 예측된 마이크로미터 보다 작은 파장에서의 복사원과 수량에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 최근의 깊고 넓은 마이크로미터 보다 작은 파장 대역 설문조사에서 이전 설문조사보다 수량이 감소한 결과를 보였는데, 이는 SMG 수밀 밀도 모델의 해석에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준 IMF를 사용한 모델이 관측된 마이크로미터 보다 작은 파장 대역에서의 은하 수밀 밀도를 성공적으로 재현하여, 비정상적인 IMF가 필요하지 않다는 것을 시사한다.
• 융합은 특히 가장 질량이 큰 시스템에서 수백만 년에 이르는 긴 마이크로미터 보다 작은 파장 대역 직업 주기를 통해 SMG 인구에 크게 기여한다. 이는 관측 추정치와 일치한다.
• 고립된 기체가 풍부한 디스크는 SCUBA나 AzTEC와 같은 기구의 감도 이하에서 일반적으로 마이크로미터 보다 작은 파장에서의 복사원을 내기 때문에 고전적인 SMG 인구에 거의 기여하지 않는다.
• 최근의 깊고 넓은 마이크로미터 보다 작은 파장 대역 설문조사(예: Austermann et al. 2010)에서 관측된 SMG 수량 감소는 모델 예측치와 관측치 사이의 괴리를 줄여주며, 이를 보완한다.
• 고기체 비율이 60%를 초과하는 스냅샷을 제외한 경우에도 모델의 결과는 강인하며, 가장 높은 복사원 밴드를 제외하고는 관측치와 1σ 이내에 머무른다.
• 민감도 테스트 결과, ISM의 냉각상태를 생략하면(이 경우 먼지 질량의 약 90%를 차지함) 마이크로미터 보다 작은 파장 복사원은 몇 배 감소하지만, 여전히 불확실성 범위 내에서 관측치와 일치하는 결과를 낳는다.