[논문 리뷰] The Average Star Formation Histories of Galaxies in Dark Matter Halos from z=0-8

Peter Behroozi, Risa H. Wechsler외 1명|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|2012. 07. 25.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 어두운 물질 헬로 성질과 관련된 은하의 별 형성 역사 모델을 제안하며, 우주 시간 동안(z=0에서 z=8까지) 자기 일관성 있고 경험적으로 校정된 모델을 사용한다. 원소 농도 매칭과 헬로 질량 함수 제약 조건을 통해 은하의 별 질량과 별 형성률을 어두운 물질 헬로 성질과 연결한다. 주요 기여는 우주적 별 형성률, 별 질량 함수, 특정 별 형성률을 통합하는 신뢰성 있고 불확실성 인식이 가능한 프레임워크로, 10¹² M☉ 헬로에서 별 형성 효율이 최고조에 이르고, z≈2.5 이후에는 물질 전환 효율이 급격히 감소함을 드러낸다.

ABSTRACT

We present a robust method to constrain average galaxy star formation rates, star formation histories, and the intracluster light as a function of halo mass. Our results are consistent with observed galaxy stellar mass functions, specific star formation rates, and cosmic star formation rates from z=0 to z=8. We consider the effects of a wide range of uncertainties on our results, including those affecting stellar masses, star formation rates, and the halo mass function at the heart of our analysis. As they are relevant to our method, we also present new calibrations of the dark matter halo mass function, halo mass accretion histories, and halo-subhalo merger rates out to z=8. We also provide new compilations of cosmic and specific star formation rates; more recent measurements are now consistent with the buildup of the cosmic stellar mass density at all redshifts. Implications of our work include: halos near 10^12 Msun are the most efficient at forming stars at all redshifts, the baryon conversion efficiency of massive halos drops markedly after z ~ 2.5 (consistent with theories of cold-mode accretion), the ICL for massive galaxies is expected to be significant out to at least z ~ 1-1.5, and dwarf galaxies at low redshifts have higher stellar mass to halo mass ratios than previous expectations and form later than in most theoretical models. Finally, we provide new fitting formulae for star formation histories that are more accurate than the standard declining tau model. Our approach places a wide variety of observations relating to the star formation history of galaxies into a self-consistent framework based on the modern understanding of structure formation in LCDM. Constraints on the stellar mass-halo mass relationship and star formation rates are available for download at http://www.peterbehroozi.com/data.html .

연구 동기 및 목표

• ΛCDM 프레임워크 내에서 z=0에서 z=8까지 관측된 우주적 별 형성률, 별 질량 함수, 특정 별 형성률을 통합하는 것.
• 관측 및 모델링 불확실성을 고려하여 어두운 물질 헬로 질량에 따라 은하의 평균 별 형성 역사를 제약 조건화하는 것.
• 별 형성과 융합이 은하 질량 구조 형성에 미치는 영향을 정량화하고, 내부 은하계 빛(ICL) 기여를 포함하는 것.
• 기존의 감소하는 tau 모델보다 우수한 성능을 보이는 새로운 정확한 별 형성 역사 피팅 공식을 제공하는 것.
• z=8까지의 헬로 질량 함수, 적립 역사, 융합률을 校정하여 은하-헬로 연결 모델링의 기초를 향상시키는 것.

제안 방법

• z=0에서 z=1까지 일관된 방법론을 사용해 관측된 은하 별 질량과 어두운 물질 헬로 질량 간의 경험적 원소 농도 매칭.
• 최신 관측 데이터 통합: 저 redshift에서 PRIMUS 및 SDSS+GALEX 별 질량 함수와 z≈8까지의 고 redshift 설문 조사.
• Bolshoi 및 MultiDark N-body 시뮬레이션을 활용해 z=8까지의 헬로 질량 함수, 적립 역사, 하위 헬로 융합률을 모델링.
• 베이지안 프레임워크를 적용해 별 질량, 별 형성률, 헬로 질량 함수의 불확실성을 최종 제약 조건으로 전파.
• 별 형성 역사를 위한 새로운 피팅 공식 개발: 고 redshift에서의 거듭제곱 법칙(식 22)과 모든 redshift에 유효한 보다 일반적인 형태(식 23–24).
• 별 질량-헬로 질량 관계의 체계적 분석으로, 별 질량 함수의 저질량 영역에서의 상승으로 인해 이중 거듭제곱 법칙 피팅에서의 이격이 드러남.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 z=0에서 z=8까지 어두운 물질 헬로 질량에 따라 은하의 평균 별 형성 역사는 어떻게 되는가?
• RQ2 별 형성 효율(바리온의 일부가 별로 전환되는 비율로 정의됨)은 헬로 질량과 redshift에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ3 은하 질량 증가는 어느 정도의 비율로 현지에서의 별 형성과 융합에 의해 이루어지며, 이는 헬로 질량과 redshift에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 질량이 큰 은하에서 별의 몇 퍼센트가 내부 은하계 빛(ICL)에 존재하며, 이는 redshift에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 별 질량과 별 형성률의 관측 불확실성은 유추된 은하-헬로 연결과 별 형성 역사에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 질량 약 10¹² M☉의 헬로는 z=0에서 z=8까지 모든 redshift에서 20–40%의 바리온 전환 효율을 보이며 별 형성에서 가장 효율적이다.
• 질량이 큰 헬로(M_halo > 10¹² M☉)의 바리온 전환 효율은 z≈2.5 이후 급격히 감소하며, 은하 형성 모델에서 냉각 모드 적립의 감소와 일치한다.
• 질량이 큰 은하(M∗ > 10¹¹ M☉)의 경우, 중심 은하보다 적어도 같은 정도의 별 질량이 ICL에 존재할 것으로 예상되며, 이는 z≈1–1.5까지의 질량 정의에 따라 달라진다.
• 은하 질량 구조 형성의 융합 주도에서 별 형성 주도로의 전환은 z=0에서 은하의 밀레니엄 질량(M_halo ≈ 10¹² M☉) 근처에서 발생하며, 저질량에서는 별 형성이 지배적이다.
• 왜소 은하(M∗ < 10⁸.⁵ M☉)는 이전에 예상한 것보다 더 높은 별 질량-헬로 질량 비율을 보이며, 저 redshift에서의 별 질량 함수 상승은 저질량 영역에서의 형성 효율 향상을 나타낸다.
• 별 형성 역사에 대한 새로운 피팅 공식(식 22–24)은 기존의 감소하는 tau 모델보다 더 정확한 기술을 제공하며, 특히 고 redshift와 다양한 헬로 질량에서 뛰어난 성능을 보인다.