[논문 리뷰] Imprints of the cosmic void evolution on the baryon processes inside galaxy haloes

Agustín M. Rodríguez-Medrano, Dante J. Paz외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 55인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 유체역학적 집중 시뮬레이션을 사용하여, 우주 공허의 대규모 운동 상태—확장 중인 (R형) 또는 수축 중인 (S형)—가 은하 허브 내에서의 비암흑 물질 과정에 미치는 영향을 조사한다. 연구 결과, 확장 중인 공허에 있는 허브는 더 천천히 형성되며, 비암흑 물질 및 별질량이 낮고, 가스 응축과 뜨거운 가스 비율도 감소하는 것으로 나타났다. 이는 공허의 운동 상태가 환경 피드백 메커니즘을 통해 허브 진화를 조절한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Cosmic voids provide a unique environment to study galaxy formation and evolution. In this paper, we analyse a set of hydrodynamic zoom-in simulations of voids, to analyse in detail their inner structures. These voids were identified in a cosmological simulation and classified according to their surrounding dynamics at very large scales: whether they are in expansion or contraction at their outskirts. We study how these environments and the dynamics of voids impact the baryonic processes inside haloes and their mechanisms of formation and evolution. We find an under-abundance of processed gas within the voids that can be associated with the lack of massive haloes. By studying the dynamical phase-space diagram of haloes and the halo-particle correlation function, we find that haloes inside of contracting voids are slightly affected by the presence of bigger structures, in comparison to haloes in the inner regions of expanding voids. Consistent signals are obtained both when using dark matter and gas particles. We show that the halo assembly depends on the void dynamical state: haloes in expanding voids assemble slowly than those in contracting voids and in the general universe. This difference in the assembly impacts the baryonic evolution of haloes. Overall the redshift range analysed, haloes in voids have less baryon content than haloes in the general universe and particularly at z = 0 less stellar content. Our results suggest that the large scale void environment modulate the baryonic process occurring inside haloes according to the void dynamical state.

연구 동기 및 목표

• 우주 공허의 대규모 운동 상태가 내재된 은하 허브 내 비암흑 물질 과정에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 공허가 팽창 중인가(이하 R형) 또는 수축 중인가(이하 S형)에 따라 허브 형성, 가스 진화 및 별 형성 효율성에 차이가 있는지 확인하는 것.
• 고해상도 유체역학적 시뮬레이션을 사용하여 공허의 운동 상태가 허브 형성력사, 비암흑 물질 비율 및 가스 상태 분포에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 일반 우주망 구조와의 비교를 통해 공허 환경과 운동의 역할을 분리하여 평가하는 것.

제안 방법

• 500 h⁻¹ Mpc 박스 크기, 512³ 입자로 구성된 대규모 어두운 물질 전용 천체역학 시뮬레이션을 수행하여 공허와 그 주변 대규모 환경을 식별하였다.
• 밀도 대비 프로파일을 사용하여 공허의 운동 분류 기반으로 R형(확장 중인 벽, 저밀도 주변)과 S형(수축 중인 벽, 고밀도 주변)으로 분류하였다.
• 선택된 공허 영역에 대해 고해상도 유체역학적 집중 시뮬레이션을 수행하여 내부 허브 및 가스 구조를 고공간 및 고질량 해상도로 해결하였다.
• 융합 트리와 위상공간도를 사용하여 허브 형성 및 진화를 추적하고, 운동 상태와 유입력사를 분석하였다.
• 적색편이에 따라 가스 상태 분율(응축, 뜨거운, 처리된)과 별질량 진화를 분석하였으며, R형과 S형 공허를 일반 우주 기준 샘플과 비교하였다.
• GIZMO 코드를 사용하여 천체역학, 유체역학 및 별 형성 모델링을 수행하였으며, ΛCDM 천체역학 모델에서 메쉬 조절 기반 및 스무딩 입자 유체역학(SPH)을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주 공허의 대규모 운동 상태(확장 대 수축)가 은하 허브의 형성력사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 R형과 S형 공허 내 허브 간의 비암흑 물질 함량, 가스 상태 분율, 별질량에 어떤 차이가 있는가?
• RQ3 일반 우주망과 비교할 때 공허 환경이 별 형성 효율성과 가스 응축에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 허브 형성 시간이 공허 유형과 적색편이와 어떻게 상관관계를 가지며, 이는 비암흑 물질 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 관측된 허브 성질의 차이가 대규모 구조 운동 상태에 기인하는지, 아니면 국소 밀도에 기인하는지 여부는 무엇인가?

주요 결과

• R형(확장 중인) 공허 내 허브는 S형(수축 중인) 공허 및 일반 우주 내 허브보다 더 천천히 형성되며, z < 1.2에서 질량 성장에 상당한 지연이 관찰되었다.
• z = 0에서, 동일한 허브 질량 기준으로 R형 공허 내 허브는 일반 우주 내 허브보다 약 10% 정도 별질량이 적으며, 이 격차는 R형 공허에서 가장 뚜렷했다.
• R형 공허 내 허브는 비암흑 물질 비율이 낮고, 응축된 가스 비율도 감소하여, 가스 응축과 별 형성 효율성이 억제됨을 시사한다.
• 뜨거운 가스 비율은 R형 공허에서 약간 높고, S형 공허에서는 더 높아, 대규모 구조 운동 상태와 관련된 유입 메커니즘의 차이를 시사한다.
• 고적색편이 영역(z > 0.75)에서는 공허 내 허브와 일반 우주 내 허브 간의 별질량 차이가 감소하지만, z ~ 0.4에서 R형 공허 내 허브가 약간 더 높은 별질량을 보이는 경향이 나타났다.
• 입자-허브 상관 함수와 위상공간도에서 S형 공허에서는 더 강한 대규모 유동 신호를 관찰하여, 주변 고밀도 구조의 영향이 더 크다는 것을 시사한다.