[논문 리뷰] Forward-modelling the Luminosity, Distance, and Size distributions of the Milky Way Satellites

Viraj Manwadkar, Andrey V. Kravtsov|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 201인용 수 49

한 줄 요약

이 논문은 GRUMPY 전진 모델링 프레임워크를 사용하여 Caterpillar 줌인 시뮬레이션 내에서 은하수 위성은빛, 거리, 크기 분포를 시뮬레이션한다. 이는 오라클 은하 모델을 필요로 하지 않고도 DES, PS1, SDSS의 관측된 분포를 성공적으로 재현하며, 300 kpc 이내에서 MV < 0 이하이고 r1/2 > 10 pc 이상인 위성 440+201−147개를 예측하고, 재이온화의 영향으로 저질량 은하핵에서 M★−Mpeak 관계가 평탄해지며, 이는 낮은 질량의 은하핵에서 어두운 은하의 비율이 높은 것을 설명한다.

ABSTRACT

We use exttt{GRUMPY}, a simple regulator-type model for dwarf galaxy formation and evolution, to forward model the dwarf galaxy satellite population of the Milky Way (MW) using the Caterpillar zoom-in simulation suite. We show that luminosity and distance distributions of the model satellites are consistent with the distributions measured in the DES, PS1 and SDSS surveys, even without including a model for the orphan galaxies. We also show that our model for dwarf galaxy sizes can simultaneously reproduce the observed {\it distribution} of stellar half-mass radii, $r_{1/2}$, of the MW satellites and the overall $r_{1/2}-M_\star$ relation exhibited by observed dwarf galaxies. The model predicts that some of the observed faint stellar systems with $r_{1/2}<10$ pc are ultra-faint dwarf galaxies. Scaling of the stellar mass $M_\star$ and peak halo mass $M_{ m peak}$ for the model satellites is not described by a power law, but has a clear flattening of $M_\star-M_{ m peak}$ scaling at $M_{ m peak}<10^8\,M_\odot$ imprinted by reionization. As a result, the fraction of low mass haloes ($M_{ m peak} < 10^8\, M_\odot$) hosting galaxies with $M_V<0$ is predicted to be 50% at $M_{ m peak} \sim 3.6 imes 10^7\,M_\odot$. We find that such high fraction at that halo mass helps to reproduce the number of dwarf galaxies discovered recently in the HSC-SSP survey. Using the model we forecast that there should be the total of $440^{+201}_{-147}$ (68\% confidence interval) MW satellites with $M_V < 0$ and $r_{1/2} > 10$ pc within 300 kpc and make specific predictions for the HSC-SSP, DELVE-WIDE and LSST surveys.

연구 동기 및 목표

• 전진 모델링 접근법을 사용하여 은하수 위성은빛, 거리, 크기 분포를 모델링하기.
• 간단한 조절자 유형 모델(GRUMPY)이 오라클 은하를 포함하지 않고도 DES, PS1, SDSS의 관측 분포를 재현할 수 있는지 테스트하기.
• 재이온화가 항성 질량–은하핵 질량 관계와 그로 인한 위성 인구의 특성에 어떤 영향을 미치는지 조사하기.
• 향후 HSC-SSP, DELVE-WIDE, LSST와 같은 설문 조사에서 검출 가능한 위성의 수를 예측하기.
• 역동적 과정이 밝기 함수의 어두운 끝과 소형 은하의 크기–질량 관계에 어떤 역할을 하는지 평가하기.

제안 방법

• GRUMPY 모델을 사용하여 소형 은하 형성과 진화를 시뮬레이션하고, 항성 질량(M★)과 피크 은하핵 질량(Mpeak) 간의 관계를 조절자 유형 피드백 규정에 따라 연결한다.
• 모델은 은하핵 질량이 은하수 수준인 주변의 고해상도 어둠의 물질 및 복사 물질 기반의 Caterpillar 줌인 시뮬레이션 세트에 적용된다.
• 모델은 위성의 빛나는 함수, 거리 분포, 항성 반질량 반경(r1/2)을 예측하고, 이는 DES, PS1, SDSS의 관측 데이터와 비교된다.
• 재이온화 피드백으로 인해 Mpeak < 10^8 M⊙일 경우 M★−Mpeak 관계가 평탄해지며, 이는 저질량 은하핵에서 항성 형성의 억제를 초래한다.
• 68% 신뢰구간을 사용하여 300 kpc 이내에서 MV < 0 이하이고 r1/2 > 10 pc 이상인 위성의 수를 예측한다.
• 관측 제약은 Vasiliev 등(2021), Deason 등(2021), Shen 등(2022)의 질량 추정치를 사용하여 적용되며, 다양한 은하핵 질량 가정에 대해 결과가 안정적임을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 간단한 조절자 유형 모델이 오라클 은하를 포함하지 않고도 은하수 위성의 관측된 밝기 및 거리 분포를 재현할 수 있는가?
• RQ2 재이온화 피드백이 저질량 은하핵에서 M★−Mpeak 관계에 평탄함을 유도하는 방식은 무엇이며, 이는 밝기 함수의 어두운 끝에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 모델이 은하수 위성의 관측된 항성 반질량 반경(r1/2) 분포와 소형 은하에서 관측된 r1/2−M★ 관계를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ4 은하수 위성 중 MV < 0 이하이고 r1/2 > 10 pc 이상인 수는 예측되는가? 그리고 이는 향후 설문 조사 기대치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 왜 Mpeak < 10^8 M⊙인 저질량 은하핵 중에서 MV < 0인 은하를 포함하는 비율이 높은가(특히 Mpeak ∼3.6×10^7 M⊙에서 50%)? 이는 관측된 위성 인구에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• GRUMPY 모델은 오라클 은하 모델을 필요로 하지 않고도 DES, PS1, SDSS의 관측된 밝기 및 거리 분포를 성공적으로 재현한다.
• 모델은 Mpeak ∼3.6×10^7 M⊙인 은하핵의 50%가 MV < 0인 은하를 포함한다고 예측하며, 이 높은 비율은 저질량 은하핵에서 항성 형성을 억제하는 재이온화 피드백에 기인한다.
• 재이온화로 인해 Mpeak < 10^8 M⊙에서 M★−Mpeak 스케일링 관계가 평탄해지며, 이는 어두운 위성의 관측 수를 일치시키는 데 핵심적이다.
• 모델은 은하수 위성의 관측된 항성 반질량 반경(r1/2) 분포와 소형 은하에서 관측된 더 넓은 r1/2−M★ 관계를 동시에 재현한다.
• 모델은 300 kpc 이내에서 MV < 0 이하이고 r1/2 > 10 pc 이상인 은하수 위성 총 440+201−147개를 예측하며, HSC-SSP, DELVE-WIDE, LSST 설문 조사에 대한 구체적인 예측을 제공한다.
• 모델은 r1/2 < 10 pc인 어두운 시스템을 초저밀 소형 은하로 식별하며, 이는 관측된 성질과 이론적 기대인 초기에 금속 농도가 낮은 항성 형성과 일치한다.