[논문 리뷰] Star forming filaments in warm dark models

Liang Gao, Tom Theuns외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 11.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 온난한 어두운 물질(WDM) 모델에서 적색편이 z ∼ 2 이상에서 조밀하고 긴 필라멘트가 형성됨을 보여주며, 이는 가스의 냉각을 냉각 함수의 최저점까지 가능하게 하고, 확장된 라이만-한계 시스템(LLS)을 생성한다. 필라멘트 기반의 별 형성이 z ∼ 6까지 지배적이며, 최종 별질량의 15% 기여하며, 관측적 특징을 통해 WDM와 냉각 어두운 물질을 구별할 수 있다.

ABSTRACT

We performed a hydrodynamical cosmological simulation of the formation of a Milky Way-like galaxy in a warm dark matter (WDM) cosmology. Smooth and dense filaments, several co-moving mega parsec long, form generically above z ∼ 2 in this model. Atomic line cool-ing allows gas in the centres of these filaments to cool to the base of the cooling function, resulting in a very striking pattern of extended Lyman-limit systems (LLSs). Observations of the correlation function of LLSs might hence provide useful limits on the nature of the dark matter. We argue that the self-shielding of filaments may lead to a thermal instability result-ing in star formation. We implement a sub-grid model for this, and find that filaments rather than haloes dominate star formation until z ∼ 6. Reionisation decreases the gas density in filaments, and the more usual star formation in haloes dominates below z ∼ 6, although star formation in filaments continues until z = 2. Fifteen per cent of the stars of the z = 0 galaxy formed in filaments. At higher redshift, these stars give galaxies a stringy appearance, which, if observed, might be a strong indication that the dark matter is warm. Key words: Galaxies: formation, intergalactic medium; cosmology: dark matter

연구 동기 및 목표

• 온난한 어두운 물질(WDM) 우주론에서 대규모 필라멘트의 형성과 진화를 조사하기 위해.
• 필라멘트 내 원자선 냉각과 자가차폐가 가스 냉각 및 잠재적 별 형성으로 이어지는 방식을 검토하기 위해.
• 우주의 시간에 따라 필라멘트와 허브가 별 형성에 기여하는 정도를 평가하기 위해.
• 필라멘트 기반 별 형성 패tern이 온난한 어두운 물질의 관측적 지표로 기능할 수 있는지 평가하기 위해.
• 재이온화 기간 동안 필라멘트 지배에서 허브 지배로의 전이를 모델링하기 위해.

제안 방법

• 은하수 유사 은하의 고해상도 유체역학적 우주론 시뮬레이션을 WDM 우주론에서 수행한다.
• 조밀한 필라멘트 내 원자선 냉각을 모델링하여 가스가 냉각 함수의 최저점까지 냉각되도록 한다.
• 필라멘트 내 자가차폐에 의해 유도되는 열불안정성을 위한 미세구조 모델을 구현하여 별 형성을 유도한다.
• 적색편이 z ∼ 10에서 z = 0까지 필라멘트와 허브 내 별 형성률의 진화를 추적한다.
• 재이온화가 필라멘트 내 가스 밀도와 별 형성 효율성에 미치는 영향을 분석한다.
• 별질량의 필라멘트 내 형성 비율을 정량화하고, 허브 기반 형성과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z > 2에서 온난한 어두운 물질 우주론에서 조밀하고 긴 필라멘트가 일반적으로 형성되는가?
• RQ2 필라멘트 내 자가차폐가 열불안정성과 그로 인한 별 형성으로 이어질 수 있는가?
• RQ3 은하수 유사 은하의 별질량 중 어떤 비율이 필라멘트에서 형성되고, 어떤 비율이 허브에서 형성되는가? (우주의 시간에 따라)
• RQ4 재이온화는 필라멘트 내 가스 밀도와 별 형성 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 필라멘트 내 라이만-한계 시스템(LLS)의 상관 함수가 어두운 물질 성질에 대한 관측적 제약을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• WDM 모델에서 z ∼ 2 이상에서 수 밀리초공간 메가파섹의 길이를 지닌 매끄럽고 조밀한 필라멘트가 일반적으로 형성된다.
• 원자선 냉각 덕분에 필라멘트 중심의 가스가 냉각 함수의 최저점까지 냉각되어 확장된 라이만-한계 시스템(LLS)이 생성된다.
• 필라멘트 기반 별 형성이 z ∼ 6까지 허브 기반 형성보다 지배적이며, 최종 별질량의 15% 기여한다.
• 재이온화로 인해 필라멘트 내 가스 밀도가 감소하여, z ∼ 6 이하에서는 허브 지배의 별 형성이 지배하게 된다.
• 필라멘트 내 별 형성은 z = 2까지 지속되어, 초기 은하가 실처럼 긴 외관을 띠게 된다.
• 관측된 LLS 상관 함수는 어두운 물질 성질, 특히 WDM와 냉각 어두운 물질를 구별하는 데 제약을 줄 수 있다.