[논문 리뷰] The galaxy size to halo spin relation of disk galaxies in cosmological hydrodynamical simulations

Hang Yang, Liang Gao외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 우주론적 유체역학 시뮬레이션에서 은하 크기–은하장 스핀 매개변수 관계를 조사하며, IllustrisTNG 및 Auriga 시뮬레이션은 디스크 크기와 은하장 스핀 간에 중간 정도의 상관관계(ρ = 0.50)를 보이나, EAGLE 및 Apostle 시뮬레이션은 약하거나 없는 상관관계를 보임을 발견함. 결과적으로, 하위스케일 물리학과 유체역학 해법(특히 피드백 모델)이 이 관계를 형성하는 데 핵심적인 역할을 하며, 현대 시뮬레이션에서 MMW98 모델의 보편성에 도전함.

ABSTRACT

In the standard disk galaxy formation model, the sizes of galactic disks are tightly related to the spin parameters $λ$ of their dark matter haloes. The model has been wildly adopted by various semi-analytic galaxy formation models which have been extremely successful to interpret a large body of observational data. However, the size-$λ$ correlation was rarely seen in most modern hydrodynamical simulations of galaxy formation. In this short paper, we make use of 4 sets of large hydrodynamical simulations to explore the size-spin parameter relation with a large sample of simulated disk galaxies, and compare it with a popular disk galaxy formation model of Mo et al. (1998). Intriguingly, galactic sizes correlate strongly with spin parameters of their dark matter haloes in the simulations developed by the IllustrisTNG collaborations, albeit the relation does not always agree with prediction of MMW98 model over all stellar mass range we examined. There is also a size-spin correlation for the Milky way analogies in the EAGLE simulations, while it is relatively weaker than that of the IllustrisTNG counterparts. For the dwarfs in the simulations from the EAGLE collaboration, there is NULL correlation. We conclude that either the detailed subgrid physics or hydrodynamics solvers account for the size-spin relation, which will be explored in our future work.

연구 동기 및 목표

• 현대 우주론적 유체역학 시뮬레이션에서 고전적인 디스크 은하 형성 모델(MMW98)의 타당성을 검증하기 위해.
• 다른 하위스케일 물리학을 가진 다양한 시뮬레이션 세트에서 크기–스핀 매개변수 관계(r₁/₂/R₂₀₀ vs. λ)가 유지되는지 조사하기 위해.
• 여러 시뮬레이션 프로젝트를 통해 밀키웨이 질량과 저질량 은하에서 크기–스핀 상관관계의 강도와 형태를 비교하기 위해.
• 특히 피드백과 유체역학 해법이 시뮬레이션에서 크기–스핀 관계를 유도하거나 억제하는 데 기여하는 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.

제안 방법

• TNG100-1과 Auriga(illustrisTNG 가족), EAGLE와 Apostle(EAGLE 가족)의 네 가지 대규모 우주론적 유체역학 시뮬레이션을 활용함.
• 운동학적 및 형태학적 기준(예: 회전으로 지배되는 디스크를 식별하기 위한 κ 매개변수)을 사용해 디스크 은하를 선별함.
• 은하 디스크의 별 스케일 길이 r₁/₂를 은하장의 비탈리 반경 R₂₀₀로 정규화하여 r₁/₂/R₂₀₀를 계산함.
• 은하장 스핀 매개변수 λ를 표준 정의 λ = jₕ / (√2 V₂₀₀ R₂₀₀)에 따라 시뮬레이션에서 확보한 은하장 특성 기반으로 계산함.
• Spearman 순위 상관계수를 사용해 r₁/₂/R₂₀₀–λ 관계의 강도를 정량화하고, Fisher 변환을 통한 오차 추정을 실시함.
• MMW98 모델 예측과 시뮬레이션 결과를 비교하여, fⱼ = 0.5 및 fᵣ = 1을 가정할 때 모델 일관성을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MMW98 모델이 예측하는 크기–스핀 매개변수 관계가 현대 유체역학 시뮬레이션의 디스크 은하에서 실제로 성립하는가?
• RQ2 다른 시뮬레이션 세트(예: IllustrisTNG 대비 EAGLE) 간에 r₁/₂/R₂₀₀–λ 상관관계의 강도는 어떻게 다를까?
• RQ3 이러한 시뮬레이션에서 밀키웨이 질량 은하에서는 저질량 은하보다 상관관계가 더 강한가?
• RQ4 하위스케일 물리학과 유체역학 해법이 크기–스핀 상관관계를 생성하거나 억제하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 왜 일부 시뮬레이션(EAGLE 등)은 MMW98 모델의 이론적 기대와는 다르게 상관관계가 없거나 약하게 나타나는가?

주요 결과

• IllustrisTNG 및 Auriga 시뮬레이션은 밀키웨이 질량 은하에서 은하 크기(r₁/₂/R₂₀₀)와 은하장 스핀 매개변수 λ 간에 중간 정도의 양의 상관관계를 보이며, Spearman 상관계수는 ρ = 0.50 ± 0.05임.
• 반면, EAGLE 및 Apostle 시뮬레이션은 약하거나 없는 상관관계를 보이며, 밀키웨이 질량 은하에서는 ρ = 0.32 ± 0.07, 저질량 은하에서는 ρ = 0.02 ± 0.09임.
• IllustrisTNG 및 Auriga 시뮬레이션의 크기–스핀 관계는 fⱼ = 0.5를 가정할 경우 MMW98 모델과 일치하며, 특히 밀키웨이 질량 은하에서 그러함.
• 두 시뮬레이션 가족 모두 저질량 은하에서는 상관관계가 더 약하며, r₁/₂/R₂₀₀–λ 관계의 상관계수 기울기 값이 MMW98 예측과 일치하지 않음.
• 시뮬레이션 결과 간의 괴리—즉, IllustrisTNG/Auriga에서는 강한 상관관계, EAGLE에서는 약하거나 없는 상관관계—는 하위스케일 물리학과 유체역학 해법이 크기–스핀 관계의 결정적 요소임을 시사함.
• 저자들은 Auriga에서는 EAGLE보다 더 높은 비율의 바리온 순환과 피드백 효율성(예: 더 많은 폐쇄형 바리온 순환)이 Auriga에서 더 강한 상관관계를 유도했을 수 있다고 추측하지만, 이는 향후 추가 연구가 필요함.