[논문 리뷰] Satellite Dwarf Galaxies in a Hierarchical Universe: Infall Histories, Group Preprocessing, and Reionization

Andrew Wetzel, Alis J. Deason외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 08.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 천체역학 시뮬레이션(ELVIS)을 사용하여, 은하수 및 안드로메다 위성 소형은하의 대부분이 은하수/안드로메다 허브에 들어오기 이전에 낮은 질량의 군집(Mvir ~10^10–12 M☉)에서 사전 처리되었다는 것을 보여주며, 이들의 유입은 약 5–8 Gyr 전에 발생했다. 주요 발견은 저질량 위성은하의 경우 그들의 사전 처리가 흔하며(50%의 Mstar < 10^6 M☉), 재이온화 영향은 주위 허브 환경과 거의 분리되어 있으며, 이는 시기적 격리(2–4 Gyr의 격격)로 인해 발생한다. 또한 고립된 경우와 쌍체인 은하수/안드로메다 허브 간에는 유입 시기에는 거의 차이가 없지만, 재이온화 환경에는 뚜렷한 차이가 있다.

ABSTRACT

In the Local Group (LG), almost all satellite dwarf galaxies that are within the virial radius of the Milky Way (MW) and Andromeda (M31) exhibit strong environmental influence. The orbital histories of these satellites provide the key to understanding the role of the MW/M31 halo, lower-mass groups, and cosmic reionization on the evolution of dwarf galaxies. We examine the virial-infall histories of satellites with M_star = 10^{3-9} M_sun using the ELVIS suite of cosmological zoom-in dissipationless simulations of 48 MW/M31-like halos. Satellites at z = 0 fell into the MW/M31 halos typically 5 - 8 Gyr ago at z = 0.5 - 1. However, they first fell into any host halo typically 7 - 10 Gyr ago at z = 0.7 - 1.5. This difference arises because many satellites experienced "group preprocessing" in another host halo, typically of M_vir ~ 10^{10-12} M_sun, before falling into the MW/M31 halos. Satellites with lower mass and/or those closer to the MW/M31 fell in earlier and are more likely to have experienced group preprocessing; half of all satellites with M_star &lt; 10^6 M_sun were preprocessed in a group. Infalling groups also drive most satellite-satellite mergers within the MW/M31 halos. Finally, none of the surviving satellites at z = 0 were within the virial radius of their MW/M31 halo during reionization (z &gt; 6), and only &lt; 4% were satellites of any other host halo during reionization. Thus, effects of cosmic reionization versus host-halo environment on the formation histories of surviving dwarf galaxies in the LG occurred at distinct epochs, separated typically by 2 - 4 Gyr, so they are separable theoretically and, in principle, observationally.

연구 동기 및 목표

• 국소군 내 위성 소형은하의 환경적 역사를 이해하고, 특히 군집 사전 처리와 주위 허브 영향의 역할을 규명한다.
• 근처에 거대한 허브(예: 안드로메다)가 존재할 경우, 고립된 은하수/안드로메다 유사 시스템과 비교해 위성 소형은하의 유입 및 사전 처리 역사를 어떻게 변화시키는지 확인한다.
• 우주의 재이온화 영향과 저시기 주위 허브 환경이 생존한 소형은하의 형성과 진화에 미치는 영향을 분리하여 분석한다.
• 군집 사전 처리의 시기와 빈도를 정량화하고, 그 영향이 위성의 형상, 기체 함량, 별 형성 억제에 어떻게 작용하는지 분석한다.

제안 방법

• 48개의 은하수/안드로메다 유사 허브를 고질량 및 고공간 해상도로 모델링한 ELVIS 천체역학 줌인 비열전도 시뮬레이션 세트를 활용하였다.
• 고적색도(z > 6)부터 z = 0까지 위성 소형은하(Mstar = 10^3–10^9 M☉)의 전체 궤도 및 주위 허브 역사를 추적하여 모든 주위 전환을 식별하였다.
• ‘비알리아 유입’을 정의하여, 위성이 현재 주위 허브의 비알리아 반경에 처음으로 진입한 시점을 의미하며, ‘군집 사전 처리’는 Mvir ~10^10–12 M☉의 허브에서 이전에 위성이 존재했던 상태로 정의하였다.
• 질량이 일치하는 고립된 은하수/안드로메다 유사 허브와 쌍체인 은하수/안드로메다 유사 허브의 위성 집단을 비교하여 대규모 환경의 영향을 분리하였다.
• 은하수/안드로메다 허브의 입자 라그랑주 체적을 z > 6까지 거슬러 올라가 재이온화 시기 동안 이웃하는 허브와의 근접도를 평가하였다.
• 유입 및 사전 처리 역사를 가진 위성의 중앙값 및 누적 비율을 사용하였으며, 오차 막대는 허브 간 산란으로부터 유도하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 위성 소형은하가 은하수/안드로메다 허브에 일반적으로 언제 유입되었으며, 이는 그들이 어떤 주위 허브에도 처음으로 유입된 시기와 어떻게 비교되는가?
• RQ2 위성 소형은하의 군집 사전 처리는 얼마나 흔한가? 이는 위성 질량과 은하수/안드로메다에의 근접도에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 우주의 재이온화와 저시기 주위 허브 환경이 소형은하에 미치는 영향이 시간적으로 얼마나 겹치는가?
• RQ4 근처에 거대한 허브(예: 안드로메다)가 존재할 경우, 고립된 은하수/안드로메다 시스템과 비교해 위성 소형은하의 사전 처리 및 유입 역사는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 재이온화 시기(z > 6) 동안 위성의 조상은 어떤 환경에 있었는가? 이는 쌍체인가 고립된 은하수/안드로메다 허브 간에 어떻게 다를까?

주요 결과

• z=0에서의 위성은하들은 약 5–8 Gyr 전(≈z ≈ 0.5–1)에 은하수/안드로메다 허브에 유입되었지만, 어떤 주위 허브에도 처음으로 유입된 것은 약 7–10 Gyr 전(≈z ≈ 0.7–1.5)이었으며, 이는 광범위한 군집 사전 처리를 시사한다.
• Mstar < 10^6 M☉인 위성의 절반 이상이 군집에서 사전 처리되었다. 더 낮은 질량과 더 가까운 위치에 있는 위성일수록 이러한 과정를 겪을 가능성이 더 높았다.
• 유입 중인 군집이 은하수/안드로메다 허브 내에서 위성-위성 합성의 대부분을 이끌었다.
• z=0에서 생존한 위성 중 어느 것도 재이온화 시기(z > 6) 동안 어떤 주위 허브의 비알리아 반경 내에 있었으며, 그 중 4% 미만만이 그 시기에 다른 주위 허브의 위성으로 존재했다.
• 재이온화 영향과 주위 허브 환경이 소형은하에 미치는 영향은 일반적으로 2–4 Gyr의 격격을 두고 별개의 시기적 시점에서 발생하여 이론적으로나 관측적으로도 분리 가능하다.
• 고립된 은하수/안드로메다 허브의 경우 쌍체 허브와 비슷한 유입 시기를 보였지만, z > 6 시점에서 평균적으로 이웃하는 허브와의 거리가 약 2배 더 가까웠다. 이는 쌍체 경우 더 큰 라그랑주 체적이 이웃 허브를 희석시키기 때문이다.