[논문 리뷰] Galactic evolutionary path from primeval irregulars to present-day ellipticals

Masao Mori, Masayuki Umemura|arXiv (Cornell University)|2005. 12. 15.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 54인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 초고해상도 시뮬레이션을 통해 초기 불규칙한 은하에서 현대의 타원은하에 이르는 은하 진화를 제시하며, 계층적 합성, 복사 냉각, 초신성 피드백이 시간이 지남에 따라 은하의 형성에 영향을 준다는 것을 입증한다. 시뮬레이션은 고적색도 라이만 알파 방출체(Lyman alpha emitters, LAEs)를 재현하고, 태양 금속성으로의 진화를 거쳐 130억 년 후에 타원은하로 이르게 된다.

ABSTRACT

The current understanding of galaxy formation is that it proceeds in a 'bottom up' way, with the formation of small clumps of gas and stars that merge hierarchically until giant galaxies are built up. The baryonic gas loses the thermal energy by radiative cooling and falls towards the centres of the new galaxies, while supernovae (SNe) blow gas out. Any realistic model therefore requires a proper treatment of these processes, but hitherto this has been far from satisfactory. Here we report an ultra-high-resolution simulation that follows evolution from the earliest stages of galaxy formation through the period of dynamical relaxation. The bubble structures of gas revealed in our simulation ($< 3\ imes10^8$ years) resemble closely the high-redshift Lyman $\\alpha$ emitters (LAEs). After $10^9$ years these bodies are dominated by stellar continuum radiation and look like the Lyman break galaxies (LBGs) known as the high-redshift star-forming galaxies at which point the abundance of elements heavier than helium ("metallicity") appears to be solar. After $1.3\ imes10^{10}$ years, these galaxies resemble present-day ellipticals.

연구 동기 및 목표

• 초기 원시 덩어리에서 현대의 타원은하에 이르는 은하의 전체 진화 과정을 모델링하기 위해.
• 복사 냉각과 초신성 피드백의 현실적인 처리를 통합하여 이전 모델의 한계를 보완하기 위해.
• 고적색도 라이만 알파 방출체(Lyman alpha emitters, LAEs)에서 라이만 브레이크 은하(Lyman break galaxies, LBGs)로의 관측된 전이 과정을 설명하기 위해.
• 모의 은하에서 태양 금속성 수준에 도달하는 데 얼마나 빨리 금속성의 진화가 일어나는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 은하 형성의 초기 단계부터 역학적 안정화에 이르기까지 초고해상도 천체역학 시뮬레이션을 수행하여 은하 진화를 추적하기 위해.
• 복사 과정에 의해 가스가 냉각되고 은하 중심으로 떨어지도록 모델링하기 위해.
• 은하 외부로 가스를 밀어내는 초신성 피드백을 시뮬레이션하여 별 형성과 형상 변화를 조절하기 위해.
• 관측된 고적색도 은하 유형과 일치시키기 위해 시간이 지남에 따라 가스 구조, 별 형성, 금속성의 진화를 추적하기 위해.
• 3×10^8년 이하의 시간스케일에서 거품 같은 가스 구조를 해상도를 확보하기 위해 수치 기법을 사용하기 위해.
• 다양한 적색도에서의 모의 은하 특성과 관측된 고적색도 라이만 알파 방출체(Lyman alpha emitters, LAEs) 및 라이만 브레이크 은하(Lyman break galaxies, LBGs)를 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원시 가스 덩어리가 계층적 합성과 피드백 과정을 통해 어떻게 거대하고 안정된 은하로 진화하는가?
• RQ2 복사 냉각과 초신성 피드백이 고적색도 은하의 관측된 형상 및 스펙트럼 진화를 어느 정도 정확히 재현하는가?
• RQ3 모의 은하가 라이만 알파 방출체(Lyman alpha emitter, LAE) 특성에서 라이만 브레이크 은하(Lyman break galaxy, LBG) 특성으로 전이되는 시점은 언제인가?
• RQ4 모의 은하에서 금속성은 얼마나 빨리 태양 수준에 도달하며, 이는 관측 결과와 일치하는가?
• RQ5 이 시뮬레이션은 초기 불규칙은하에서 현대의 타원은하로의 구조적 및 스펙트럼적 진화를 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 3×10^8년 이내에 형성된 모의 시뮬레이션의 거품 같은 가스 구조는 고적색도 라이만 알파 방출체(Lyman alpha emitters, LAEs)와 유사하다.
• 10^9년 후, 모의 은하들은 별의 연속 스펙트럼 방출이 지배적이 되어 라이만 브레이크 은하(Lyman break galaxies, LBGs)의 특성과 일치한다.
• 1.3×10^10년이 지나면 은하들은 현대의 타원은하와 형상적·운동학적으로 유사한 시스템으로 진화한다.
• 모의 은하들은 형성 후 약 13억 년 이내에 태양 농도에 맞는 금속성을 달성한다.
• 이 시뮬레이션은 현실적인 피드백과 냉각 물리학을 통해 원시 불규칙은하에서 거대한 타원은하로의 전체 진화 과정을 성공적으로 재현한다.
• 결과적으로 계층적 합성, 복사 냉각, 초신성 피드백이 결합된 과정이 고적색도 성간 은하의 관측된 진화를 자연스럽게 설명할 수 있음을 입증한다.