[논문 리뷰] Gas and Metal Contents of Galaxies and Gaseous Halos: Preventive versus Ejective Feedback

Yu Lu, H. J. Mo외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 08.

Spectroscopy and Laser Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 은하 형성에서 분출성(feedback)과 예방성(feedback) 모델을 반분석적 프레임워크를 사용해 비교하여 은하 및 기체 성간 환경에서의 비가역 질량과 금속 농도 예측을 평가한다. 결과적으로, 유일하게 예방성 피드백 모델만 다양한 관측 제약 조건—특히 기체 상 금속 농도와 질량 분율—을 성공적으로 충족시키며, 분출성 모델은 높은 기체 분율과 낮은 금속 농도를 동시에 설명하지 못해, 저질량 은하에서는 피드백이 주로 예방성임을 시사한다.

ABSTRACT

Using a semi-analytical approach we investigate the characteristics of predictions for the masses and metallicities of the baryonic matter in and around galaxies made by three galaxy formation models. These models represent three different feedback scenarios: one model with purely ejective feedback, one model with ejective feedback with reincorporation of ejected gas, and one preventative model. We find that, when the model parameters are adjusted to predict the correct stellar masses for a range of halo masses between 10^{10} to 10^{12}Msun, these three scenarios have very different predictions for the masses and metallicities of the interstellar and circum-galactic media. Compared with current observational data, the model implementing preventative feedback has a large freedom to match a broad range of observational data, while the ejective models have difficulties to match a number of observational constraints simultaneously, independent of how the ejection and reincorporation are implemented. Our results suggest that the feedback process which regulates the amounts of stars and cold gas in low-mass galaxies is preventative in nature.

연구 동기 및 목표

• 분출성 또는 예방성 피드백 중 어느 것이 관측된 은하 및 그 기체 성간 환경의 비가역 질량과 금속 농도 분포를 더 잘 설명하는지 테스트하기.
• 기체 재흡수 여부에 관계없이 분출성 피드백 모델의 타당성을 항성 질량, 기체 질량, 금속 농도에 대한 관측 제약 조건에 대해 평가하기.
• 현재의 관측 데이터가 은하 형성에서 다양한 피드백 메커니즘을 구분할 수 있는지 판단하기.
• 다양한 피드백 시나리오가 관측된 항성 및 기체 상 금속 농도 관계를 재현할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• Lu 등 (2015)의 반분석적 은하 형성 모델을 기준 프레임워크로 채택한다.
• 피드백 조건만 체계적으로 변화시켜 세 가지 모델을 비교: 순수 분출, 기체 재흡수 포함 분출, 예방성 피드백.
• 10^10에서 10^12 M_sun의 허브 질량 범위에서 관측된 항성 질량-은하질량 관계에 맞추기 위해 모델 파라미터를 조정한다.
• 각 모델에 대해 항성, 간성간 매질(ISM), 그리고 은하 주변 매질(CGM)의 비가역 질량 분율과 금속 농도를 계산한다.
• 관측 데이터—COS-Halos 조사, 항성 질량-금속 농도 관계, 기체 상 금속 농도 경향—와 모델 예측을 비교한다.
• ΛCDM 우주론을 사용하여 표준 파rameter(Ω_M,0=0.27, h=0.70, σ8=0.82)로 z=2부터 현재까지 은하 진화를 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기체 재흡수 여부에 관계없이 분출성 피드백 모델이 은하에서 관측된 항성 질량, 기체 질량, 기체 상 금속 농도를 동시에 재현할 수 있는가?
• RQ2 다양한 피드백 메커니즘이 항성, ISM, 기체 성간 환경의 예측 금속 농도 진화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분출성 모델에 기체 재흡수를 포함하면 관측 데이터와의 괴리가 해결되는가?
• RQ4 저질량 은하에 비해 비가역 질량과 금속 농도 분포를 잘 맞추는 예방성 피드백 모델은 다양한 상황에서 관측된 비가역 질량과 금속 농도 분포를 잘 따르는가?
• RQ5 관측된 기체 상 금속 농도-항성 질량 관계는 분출성과 예방성 피드백을 구분하는 데 어떤 함의를 갖는가?

주요 결과

• 기체 재흡수 여부에 관계없이 분출성 피드백 모델은 특히 밀키웨이 크기의 은하에서 관측된 기체 질량 분율과 기체 상 금속 농도를 동시에 충족시키지 못한다.
• 높은 질량 적재 계수를 가질지라도 분출성 모델은 기체 상 금속 농도가 너무 낮게 예측하며, 기체 분출 강도를 더 높일수록 금속 농도가 감소해 괴리가 악화된다.
• 분출성 모델은 z=2부터 현재까지 기체 상 금속 농도-항성 질량 관계가 거의 일정하다고 예측하지만, 관측 결과는 금속 농도 경향의 강한 진화를 보여주므로 이와 불일치한다.
• 기체 빠른 재흡수를 포함한 분출성 모델은 성간 환경의 금속 질량을 과도하게 예측하여, 성간 환경 금속 농도를 제약하는 COS-Halos 관측 결과와 모순된다.
• 예방성 피드백 모델은 관측된 항성 및 냉각 기체 질량 분율, 디스크 은하의 크기, 다양한 허브 질량 범위의 별 형성 역사 모두를 성공적으로 재현한다.
• 예방성 모델의 유일한 불일치점은 저질량 은하의 항성 성분에서 금속 질량을 과도하게 예측하는 것으로, 비균일한 ISM 금속 농도 또는 z=2 이전의 조기 별 형성을 고려하면 해결될 수 있다.