[논문 리뷰] Sub-mm Galaxies In Cosmological Simulations

MA Fardal, Neal Katz외 3명|ScholarWorks@UMassAmherst (University of Massachusetts Amherst)|2001. 01. 01.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 $Λ$CDM 우주론적 우주에서 천체역학적 시뮬레이션을 사용하여 sub-mm 은하를 모델링하며, 먼지가 적외선 영역에서 별빛을 재방출한다고 가정한다. 타당한 먼지 온도($T=35$ K)와 발산도($\beta=1.0$)를 가정할 경우, 시뮬레이션된 수량 분포가 1 mJy 이상에서 관측된 SCUBA 설문 결과와 일치하며, 중간 적색이동은 $z \approx 2$이며, 볼로메트릭 빛보다 850 µm에서의 빛의 세기가 높다는 것이 핵심 검증 가능한 특징으로 예측된다.

ABSTRACT

We study the predicted sub-mm emission from massive galaxies in a Lambda-CDM universe, using hydrodynamic cosmological simulations. Assuming that most of the emission from newly formed stars is absorbed and reradiated in the rest-frame far-IR, we calculate the number of galaxies that would be detected in sub-mm surveys conducted with SCUBA. The predicted number counts are strongly dependent on the assumed dust temperature and emissivity law. With plausible choices for SED parameters (e.g., T=35 K, beta=1.0), the simulation predictions reproduce the observed number counts above ~ 1 mJy. The sources have a broad redshift distribution with median z ~ 2, in reasonable agreement with observational constraints. However, the predicted count distribution may be too steep at the faint end, and the fraction of low redshift objects may be larger than observed. In this physical model of the sub-mm galaxy population, the objects detected in existing surveys consist mainly of massive galaxies (several M_*) forming stars fairly steadily over timescales ~ 10^8-10^9 years, at moderate rates ~100 Msun/yr. The typical descendants of these sub-mm sources are even more massive galaxies, with old stellar populations, found primarily in dense environments. While the resolution of our simulations is not sufficient to determine galaxy morphologies, these properties support the proposed identification of sub-mm sources with massive ellipticals in the process of formation. The most robust and distinctive prediction of this model, stemming directly from the long timescale and correspondingly moderate rate of star formation, is that the far-IR SEDs of SCUBA sources have a relative high 850 micron luminosity for a given bolometric luminosity. [Abridged]

연구 동기 및 목표

• 물리적으로 타당한 우주론적 시뮬레이션 프레임워크에서 sub-mm 은하 인구를 모델링하기 위해.
• 관측된 SCUBA로 탐지된 sub-mm 은하의 수량 분포와 적색이동 분포가 $Λ$CDM 모델과 현실적인 먼지 재처리를 가정할 경우 재현 가능한지 테스트하기 위해.
• far-IR SED, 군집화, sub-mm 소스의 진화적 후손에 대한 강력한 검증 가능한 예측을 규명하기 위해.
• 짧은 지속 시간의 폭발적 별 형성 대신, 거대 은하에서의 안정적이고 중간 수준의 별 형성 비율이 sub-mm 복사의 기원임을 평가하기 위해.
• 현상학적 sub-mm 소스 모델의 물리적으로 타당한 대안을 제공하기 위해.

제안 방법

• 중간 질량 해상도를 가진 $Λ$CDM 우주론적 대규모 천체역학 시뮬레이션.
• 별 형성, 피드백, UV/광학 영역 빛의 먼지 재처리를 통해 은하 형성과 진화를 추적한다.
• 모든 신규 형성된 별빛이 나머지 far-IR 영역에서 흡수되고 재방출된다고 가정하며, $T=35$ K와 $\beta=1.0$를 가진 수정 블랙바디 SED를 사용하여 sub-mm 유량을 계산한다.
• 관측된 SCUBA 설문 결과와 비교하기 위해 적색이동과 빛의 세기를 통합하여 수량 분포를 계산한다.
• sub-mm 소스에 대해 $10^8$–$10^9$ 년 동안 일정한 별 형성률을 가정한다.
• 소스 환경과 적색이동 분포에 대한 관측 제약 조건을 테스트하기 위해 군집화 및 적색이동-공간 분포를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 관측된 1 mJy 이상의 sub-mm 은하의 수량 분포가 $Λ$CDM 우주론적 우주에서 물리적으로 타당한 은하 형성 모델에 의해 재현 가능한가?
• RQ2 시뮬레이션된 sub-mm 소스의 일반적인 적색이동 분포는 무엇이며, 관측 제약 조건과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 모델이 예측하는 sub-mm 소스의 주요 SED 특성, 특히 850 µm에서의 특성은 무엇인가?
• RQ4 sub-mm 소스의 별 형성 역사를 비롯한 형태학적 특성은 그들의 진화적 후손과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 sub-mm 은하의 군집 특성은 적색이동과 각도 공간에서 어떻게 나타나며, Lyman break 은하와 어떻게 다를까?

주요 결과

• 타당한 먼지 매개변수($T=35$ K, $\beta=1.0$)를 가질 경우, 시뮬레이션된 수량 분포가 1 mJy 이상에서 관측된 sub-mm 수량 분포를 재현한다.
• 시뮬레이션된 sub-mm 소스의 중간 적색이동은 $z \approx 2$이며, 현재의 관측 제약 조건과 일치한다.
• 모델은 관측된 것보다 더 급격한 희미한 소스 분포를 예측하여, 희미한 소스의 과잉 생산 가능성을 시사한다.
• 시뮬레이션에서 저적색이동 sub-mm 소스의 비율은 관측된 것보다 높아, 저-$z$ 복사의 과잉 예측 가능성을 시사한다.
• sub-mm 소스는 주로 거대 은하($\gtrsim 10^{11} M_\odot$)이며, $10^8$–$10^9$ 년 동안 약 $\sim 100\,M_\odot\,\mathrm{yr}^{-1}$의 안정적인 별 형성률을 가진다.
• 가장 두드러진 예측은 주어진 볼로메트릭 빛에 비해 상대적으로 높은 850 µm 빛의 세기이며, 이는 SED 측정을 통해 검증 가능하다.