[논문 리뷰] The formation of disk galaxies in a LCDM universe

Oscar Agertz, Romain Teyssier외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 31.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 ΛCDM 프레임워크 내에서 적응형 메시 리프리닝 시뮬레이션을 사용하여, 낮은 항성 형성 효율성과 중간 정도의 초신성 피드백이 밀키웨이 유사 성간 구조를 가진 넓고 안정된 디스크 은하의 형성을 가능하게 한다고 보여준다. 핵심 결과는 평탄한 회전곡선, B/D ≈ 1/4, 그리고 현실적인 운동량을 가지는 디스크 은하의 성공적인 형성로, 오랫동안 지속된 휘어진 나선 은하 시뮬레이션의 과제를 해결한다.

ABSTRACT

We study the formation of disc galaxies in a fully cosmological framework using adaptive mesh refinement simulations. We perform an extensive parameter study of the main subgrid processes that control how gas is converted into stars and the coupled effect of supernovae feedback. We argue that previous attempts to form disc galaxies have been unsuccessful because of the universal adoption of strong feedback combined with high star formation efficiencies. Unless extreme amounts of energy are injected into the interstellar medium during supernovae events, these star formation parameters result in bulge dominated S0/Sa galaxies as star formation is too efficient at z~3. We show that a low efficiency of star-formation more closely models the subparsec physical processes, especially at high redshift. We highlight the successful formation of extended disc galaxies with scale lengths r_d=4-5 kpc, flat rotation curves and bulge to disc ratios of B/D~1/4. Not only do we resolve the formation of a Milky Way-like spiral galaxy, we also observe the secular evolution of the disc as it forms a pseudo-bulge. The disc properties agree well with observations and are compatible with the photometric and baryonic Tully-Fisher relations, the Kennicutt-Schmidt relation and the observed angular momentum content of spiral galaxies. We conclude that underlying small-scale star formation physics plays a larger role than previously considered in simulations of galaxy formation.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 프레임워크 내에서 확장된 디스크 은하 형성에 있어 미세구역 물리의 역할을 조사하는 것.
• 과도하게 강한 피드백과 높은 항성 형성 효율성으로 인해 이전 시뮬레이션들이 침묵하는 나선형 은하를 형성하지 못한 이유를 다루는 것.
• 관측된 디스크 특성, 예를 들어 스케일 길이, 회전곡선, 복합체 대 디스크 비율을 재현할 수 있는 항성 형성 및 피드백의 매개변수 공간을 규명하는 것.
• 소규모 항성 형성 물리가 관측된 나선 은하의 운동량과 물질 함량을 설명할 수 있는지 평가하는 것.

제안 방법

• 소규모 간성 매질 과정을 해결하기 위해 적응형 메시 리프리닝(AMR) 우주론적 시뮬레이션을 사용하는 것.
• 항성 형성 효율성과 초신성 피드백 에너지 주입에 대한 체계적인 매개변수 연구를 수행하는 것.
• 기초 모델을 사용하여 기체 밀도와 냉각 시간에 따라 항성 형성 비율을 결정하며, 피드백은 초신성으로부터 에너지를 주입하는 방식으로 모델링하는 것.
• 우주의 시간에 따라 스케일 길이, 회전곡선, 복합체 대 디스크 비율 등의 디스크 특성 변화를 추적하는 것.
• 툴리-파이저 관계, 케니쿠트-스미스 법칙, 운동량 함량 등의 관측 관계와 시뮬레이션된 은하 특성을 비교하는 것.
• 형성 중인 디스크에서 페시-복합체의 발달을 모니터링하여 점진적 진화를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 항성 형성 효율성과 초신성 피드백 조합이 관측된 형태학적 및 운동학적 특성을 가지는 안정적이고 넓은 디스크 은하를 생성하는가?
• RQ2 기존의 우주론적 시뮬레이션은 피드백을 포함하고 있음에도 불구하고 왜 디스크 지배 은하를 형성하지 못했는가?
• RQ3 고적색도에서 낮은 항성 형성 효율성이 디스크 스케일 길이와 운동량 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 시뮬레이션된 디스크 특성이 광학적 및 물질 기반 툴리-파이저 관계와 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 실제로 구현된 미세구역 물리 모델을 사용한 우주론적 시뮬레이션에서 관측된 복합체 대 디스크 비율(B/D ≈ 1/4)과 페시-복합체 형성은 재현될 수 있는가?

주요 결과

• 고적색도에서 낮은 항성 형성 효율성(z ~ 3)은 과도한 초기 항성 형성을 방지하여 지나치게 질량이 큰 복합체 형성을 막는다.
• 중간 정도의 초신성 피드백과 낮은 항성 형성 효율성을 조합하면 스케일 길이 4–5 kpc, 평탄한 회전곡선을 가진 디스크 은하가 형성된다.
• 시뮬레이션된 은하들은 약 1/4의 복합체 대 디스크 비율을 달성하여 S0/Sa 나선형 은하의 관측 결과와 일치한다.
• 디스크는 점진적 진화를 겪으며 시간이 지남에 따라 페시-복합체를 형성하며, 이는 밀키웨이의 형태학적 특성과 일치한다.
• 시뮬레이션된 은하들은 광학적 및 물질 기반 툴리-파이저 관계, 항성 형성에 대한 케니쿠트-스미스 법칙을 모두 충족한다.
• 시뮬레이션된 디스크의 운동량 함량은 실제 나선형 은하에서 관측된 것과 일치하여 현실적인 형성 물리 메커니즘이 적용된 것으로 나타난다.