[논문 리뷰] The Modelling of Feedback Processes in Cosmological Simulations of Disk Galaxy Formation

Franziska Piontek, Matthias Steinmetz|ArXiv.org|2009. 09. 23.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 2인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 밀키웨이 유사 어두운 물질 허브를 기반으로 한 은하 형성의 천체역학 시뮬레이션에서 피드백 과정을 조사한다. 다양한 피드백 에너지 분포 방법을 시험하고, 자외선 배경, 운동 에너지 피드백, 금속 농도에 의존하는 냉각과 같은 물리적 과정을 조합함으로써, 저작량 형성은 유일하게 다수의 효과 조합이 감소시킬 수 있음을 발견했지만, 항성 질량 분율은 여전히 너무 높다—이것은 디스크 형성에 단일 지배 메커니즘이 아닌 다수의 미세 척도 물리적 효과 간의 상호보완적 상호작용이 필요하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We present a systematic study of stellar feedback processes in simulations of disk galaxy formation. Using a dark matter halo with properties similar to the ones for the Milky Way's stellar halo, we perform a comparison of different methods of distributing energy related to feedback processes to the surrounding gas. A most promising standard model is applied to halos spanning a range of masses in order to compare the results to disk galaxy scaling relations. With few exceptions we find little or no angular momentum deficiency for our galaxies and a good agreement with the angular momentum-size relation. Our galaxies are in good agreement with the baryonic Tully-Fisher relation and the slope of the photometric Tully-Fisher relation is reproduced. We find a zero-point offset of 0.7 to 1 magnitudes, depending on the employed IMF. We also study our standard feedback model in combination with additional physical processes like a UV background, kinetic feedback, a delayed energy deposition as expected for type Ia supernovae, mass return and metal-dependent cooling. Only a combination of effects yields a real improvement of the resulting galaxy by reducing the bulge, while including metal-dependent cooling increases the bulge again. We find that in general the stellar mass fraction of our galaxies is too high. In an ad-hoc experiment we show that an removal of the bulge could reconcile this. However, the fit of the Tully-Fisher relation can only be improved by delaying the star formation, but not suppressing it completely. Our models do not seem to be efficient enough to achieve either effect. We conclude that disk formation is a complex, highly interconnected problem and we expect a solution to come from a combination of small effects.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션에서 현실적인 디스크 은하를 형성하는 데 필요한 피드백 과정을 이해하는 것.
• 다양한 피드백 에너지 분포 방법이 시뮬레이션된 은하의 각운동량, 형태, 척도 관계에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 자외선 배경, 운동 에너지 피드백, 지연된 초신성, 금속 농도에 의존하는 냉각 등의 다수의 물리적 과정을 조합했을 때 관측된 디스크 은하 성질과의 일치도가 향상되는지 테스트하는 것.
• 은하 형성과 안정성에 영향을 미치는 허브의 융합 역사와 어두운 물질 농도의 역할을 평가하는 것.
• 시뮬레이션된 은하가 관측된 툴리-파이저 관계와 항성 질량-은하 질량 관계를 잘 따르지 못하는 이유를 규명하고, 이러한 불일치를 수정하는 방법을 찾는 것.

제안 방법

• 고스피너, 조용한 융합을 거친 밀키웨이 유사 어두운 물질 허브를 기반으로 하여 디스크 은하 형성 시뮬레이션을 수행한다.
• 주변 기체에 대한 피드백 에너지 투입 방식(예: 즉각적 대비 지연, 폭발파 대비 열적 방식)의 시스템적 비교를 수행한다.
• 다양한 질량과 융합 역사를 가진 허브 샘플에 대해 校정된 '표준 모델' 피드백 방식을 적용한다.
• 추가 물리 과정을 통합: 자외선 배경, 운동 에너지 피드백, Ia 초신성의 지연된 에너지 투입, 질량 환원, 금속 농도에 의존하는 냉각.
• GADGET2를 사용하여 복사 냉각을 적용하고, 항성 질량, 각운동량, 빛의 세기를 자동으로 추적하여 은하 척도 관계를 평가한다.
• Tully-Fisher 관계와 항성 질량-은하 질량 관계에 미치는 영향을 시험하기 위해 사전 실험을 수행한다. (예: 항성 형성 지연, 복합체 제거)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어느 피드백 에너지 분포 방법이 각운동량을 가장 잘 유지하고, 현실적인 척도 관계를 가진 디스크 우주론을 생성하는가?
• RQ2 자외선 배경, 금속 농도에 의존하는 냉각, 운동 에너지 피드백 등의 물리적 과정 조합이 복합체 형성과 디스크 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 시뮬레이션된 은하는 높은 항성 질량 분율을 보이고, 툴리-파이저 관계와 항성 질량-은하 질량 관계에서 불일치를 보이는가?
• RQ4 항성 형성을 지연하거나 복합체를 제거하면 시뮬레이션된 은하가 관측된 척도 관계와 일치하는가?
• RQ5 허브 성질(예: 농도, 융합 역사)이 우주론적 시뮬레이션에서 디스크 형성 성공에 얼마나 영향을 미치는가?

주요 결과

• 표준 피드백 모델은 각운동량 부족이 거의 없고, 각운동량-크기 관계와 양호한 일치를 보이는 은하를 생성한다.
• 시뮬레이션된 은하는 광학적 Tully-Fisher 관계의 기울기를 재현하지만, 초기 질량 함수(IMF)에 따라 0.7에서 1 magnitude의 제로 포인트 오프셋을 보인다.
• 복합체 형성을 줄이기 위해서는 운동 에너지 피드백, 자외선 배경, 지연된 초신성 에너지 투입의 조합이 필요하며, 금속 농도에 의존하는 냉각은 복합체를 증가시킨다.
• 모든 모델에서 항성 질량 분율이 여전히 너무 높다. 단지 복합체를 제거하면 Tully-Fisher 관계는 개선되지만, 항성 질량-은하 질량 관계는 개선되지 않는다.
• 항성 형성을 지연시키면 Tully-Fisher 피팅이 향상되지만, 항성 형성을 완전히 억제해도 개선되지 않아, 피드백 효율이 부족함을 시사한다.
• 결과적으로 ΛCDM에서 현실적인 디스크 형성은 단일 지배 메커니즘이 아닌, 다수의 미세 척도 물리적 효과의 상호보완적 조화가 필요하다.