[논문 리뷰] Stochastic Star Formation & Feedback: Mapping Low-Mass Galaxies to Dark Matter Haloes

G. A. Wynn, Geraint F. Lewis외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 27.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 저질량 은하형성과 초신성 폭발 후속작용이 어두운 물질 준하중에서 은하의 관측된 확률적 점유를 설명한다. 이는 비효율적인 고질량 별 형성과 가스 분해에 의해 유도된다. 몬테카를로 모델을 사용하여 하중 형성 역사를 추적함으로써, 저질량 하중($\lesssim 10^9\,M_\odot$)이 원자적 냉각을 하지 못하고 가스가 분리되는 경향이 있어, 형성 역사와 후속작용 시기 의존적인 방식으로 은하 형성이 정지됨을 보여준다.

ABSTRACT

Comparison of observed satellite galaxies of the Milky Way (hereafter MW) with dark matter subhaloes in cosmological $N$-body simulations of MW-mass haloes suggest that such subhaloes, if they exist, are occupied by satellites in a stochastic fashion. We examine how inefficient massive star formation and associated supernova feedback in high-redshift progenitors of present-day low-mass subhaloes might contribute to this stochasticity. Using a Monte Carlo approach to follow the assembly histories of present-day low-mass haloes with $10^7 \lesssim M \leq 10^{10}$ ${ m M}_{\odot}$, we identify when cooling and star formation is likely to proceed, and observe that haloes with present-day masses $\lesssim 10^9 { m M}_{\odot}$ never grow sufficiently massive to support atomic hydrogen line cooling. Noting that the star formation timescale decreases sharply with stellar mass as $t_{ m PMS} \propto m_{\ast}^{-2.5}$, we argue that, should the conditions for high mass star formation arise in low-mass haloes, the ensuing supernovae are likely to disrupt ongoing lower-mass star formation and unbind gas within the halo. This potentially star-forming gas is unlikely to be replenished in lower mass haloes because of, e.g. cosmological reionization, and so we expect galaxy formation to be stymied in a manner that depends on host halo assembly history and the efficiency and timing of star formation in proto-galaxies, which we illustrate using a Monte Carlo model. Based on these simple physical arguments, we assert that stochasticity of star formation and feedback is an essential but overlooked ingredient in modelling galaxy formation on the smallest scales.

연구 동기 및 목표

• 저질량 하중에서의 후속작용 과정을 분석하여 밀키웨이 위성 은하의 어두운 물질 준하중 내에서의 확률적 점유를 설명하는 것.
• 저질량 하중($10^7 \lesssim M \leq 10^{10}\,M_\odot$)이 가스를 수용하고도 지속적인 은하 형성을 하지 못하는 이유를 조사하는 것.
• 비효율적인 고질량 별 형성과 초신성 후속작용이 저질량 하중에서 가스를 분해하고 별 형성을 정지시키는 방식을 평가하는 것.
• 몬테카를로 방법을 사용하여 하중 형성 역사와 후속작용 시기 의존성에 따른 은하 형성의 의존성 모델링하는 것.
• 확률적 후속작용이 소규모 척도에서 은하 형성 모델링에 있어 중요한데도 간과된 핵심 요소임을 주장하는 것.

제안 방법

• 현재 시점의 저질량 하중($10^7 \lesssim M \leq 10^{10}\,M_\odot$)의 형성 역사를 추적하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하는 것.
• 하중 질량과 적색편이에 기반한 냉각 및 별 형성 조건을 모델링하여 원자적 수소 냉각이 가능한 시점을 특정하는 것.
• 저질량 별 형성 속도를 고려하기 위해 $t_{\text{PMS}} \propto m_*^{-2.5}$ 관계를 적용하는 것.
• 냉각이 비효율적인 경우에 초신성 후속작용이 가스 분리에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 특히 저질량 시스템에서 우주론적 재이온화로 인한 가스 재충전 제약 조건을 평가하는 것.
• 후속작용 시기, 하중 역사, 가스 유지율을 결합하여 은하 형성의 확률적 결과를 시뮬레이션하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 저질량 하중($\lesssim 10^9\,M_\odot$)은 가스를 수용하고도 지속적인 은하 형성을 하지 못하는가?
• RQ2 고질량 별 형성의 시기와 효율성이 저질량 하중에서 가스 유지 및 후속 별 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 원자적 수소 냉각이 없는 하중에서 초신성 후속작용이 별 형성과 가스 분리에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 은하 형성의 확률적 특성은 하중의 형성 역사에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 왜 저질량 하중에서 은하 형성은 초기 조건과 후속작용 시기에 매우 민감하게 반응하는가?

주요 결과

• 현재 질량 $\lesssim 10^9\,M_\odot$인 하중들은 원자적 수소선 냉각을 지원할 정도로 충분히 질량이 커지지 않아 별 형성 능력이 제한된다.
• 빠른 PMS 시간 스케일($t_{\text{PMS}} \propto m_*^{-2.5}$)은 고질량 별이 저질량 별이 시스템을 안정화하기 전에 빠르게 형성되고 초신성으로 이어짐을 시사한다.
• 저질량 하중에서의 초신성 후속작용은 냉각이 비효율적이고 중력 포텐셜이 낮아 가스 분리와 지속적인 별 형성 정지가 발생할 가능성이 크다.
• 우주론적 재이온화로 인해 저질량 하중에서는 가스 재충전이 거의 일어나지 않아 은하 형성의 영구적 억제가 발생한다.
• 은하 형성의 확률적 특성은 하중의 형성 역사, 후속작용 시기, 별 형성 효율성의 상호작용에서 기인하며, 단지 준하중 수의에 의한 것이 아니다.
• 확률적 후속작용은 소규모 어두운 물질 하중에서 은하 형성의 주요이자 오랫동안 간과된 메커니즘으로 규명된다.