[论文解读] Constraining Star Formation Histories of Blue Galaxies using the Scatter between Stellar Mass and Halo Mass

ChangHoon Hahn, Jeremy L. Tinker+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2019

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 14被引用 4

一句话总结

本文利用星系-晕质量关系（SHMR）中的弥散来约束蓝星系的恒星形成历史，表明恒星形成可变性的 timescale（$t_{\text{duty}}$）及其与晕吸积的相关性（$r$）直接影响SHMR的弥散。研究发现，为重现 $z=0$ 时 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dex 的观测结果，需满足 $t_{\text{duty}} \leq 1.5$ Gyr 且 $r > 0.6$，而未来巡天有望提供更严格的约束。

ABSTRACT

We present constraints on the timescale of star formation variability and the correlation between star formation and host halo accretion histories of star-forming (SF) central galaxies from the scatter of the stellar-to-halo mass relation (SHMR). SF galaxies are found to have a tight relationship between their star formation rates and stellar masses on the so-called "star-forming sequence" (SFS), which characterizes their SF histories and $M_*$ growths. Meanwhile, observed SHMR constraints connect $M_*$ growth to halo accretion history. Combining these observed trends with a cosmological $N$-body simulation, we present flexible models that track the SF, $M_*$, and halo accretion histories of SF central galaxies at $z<1$ while reproducing the observed stellar mass function and SFS in SDSS DR7. We find that the scatter in SHMR at $M_h=10^{12}M_\odot$, $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$, is sensitive to the timescale of star formation variability, $t_{ m duty}$, and the correlation coefficient, $r$, between SF and halo accretion histories: shorter $t_{ m duty}$ and higher $r$ both result in tighter $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$. To reproduce a constant 0.2 dex scatter over $z=1-0$, our models require $t_{ m duty}\leq1.5$ Gyr for $r=0.99$ or $r>0.6$ for $t_{ m duty}=0.1$ Gyr. For $r\sim0.6$, as found in the literature, $t_{ m duty}<0.2$ Gyr is necessary. Meanwhile, to reproduce the tightening of $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}=0.35$ to 0.2 dex from $z=1-0$ in hydrodynamical simulations, our models require $t_{ m duty}=0.1$ Gyr for $r>0.5$. Although, the lack of consensus on $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ at $M_h=10^{12}M_\odot$ and at $z=1$ from observations and galaxy formation models remains the main bottleneck in precisely constraining $r$ and $t_{ m duty}$, we demonstrate that SHMR can be used to constrain the SF and host halo accretion histories of SF central galaxies.

研究动机与目标

• 约束恒星形成星系中恒星形成可变性 timescale（$t_{\text{duty}}$）及其与宿主晕吸积历史相关性（$r$）
• 研究在 $M_h = 10^{12}M_\odot$ 处SHMR弥散如何依赖于 $t_{\text{duty}}$ 与 $r$
• 检验观测到的SHMR弥散是否可用于区分不同的恒星形成与晕吸积历史
• 通过将模型预测与SDSS DR7数据及流体动力学模拟对比，解决当前对 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ 观测约束中的矛盾
• 展示SHMR弥散是星系形成物理过程的敏感探针，尤其对即将开展的深空巡天具有重要意义

提出的方法

• 构建灵活的、基于 $N$-体的宇宙学模型，追踪 $z < 1$ 时恒星形成星系的恒星形成、恒星质量及宿主晕吸积历史
• 使用ABC-PMC无似然推断框架，将模型预测与SDSS DR7星系群星表中的观测恒星质量函数（SMF）和恒星形成序列（SFS）进行比较
• 通过红移演化和斜率参数化恒星形成序列，以一致方式建模与观测SFS相符的恒星形成历史
• 通过改变 $t_{\text{duty}}$（恒星形成占空比 timescale）与 $r$（SFR与晕吸积之间的相关系数）来探索其对 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ 的影响
• 将模型预测的SHMR弥散与来自晕占有模型、星系聚类、卫星运动学及弱引力透镜的观测约束进行比较
• 通过允许 $z=1$ 时初始的 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ 变化，测试模型的鲁棒性，以匹配TNG模拟中从0.35到0.2 dex的观测演化

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星形成可变性 timescale（$t_{\text{duty}}$）如何影响 $M_h = 10^{12}M_\odot$ 处星系-晕质量关系（SHMR）的弥散？
• RQ2 为重现 $z=0$ 时观测到的 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dex，SFR与晕吸积历史之间的相关系数（$r$）需达到多大？
• RQ3 通过改变 $t_{\text{duty}}$ 与 $r$ 的模型，能否重现流体动力学模拟中SHMR弥散从 $z=1$ 到 $z=0$ 由0.35到0.2 dex的演化？
• RQ4 当前观测中 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$（范围为0.2至0.35 dex）的不一致，对物理参数 $t_{\text{duty}}$ 与 $r$ 有何约束？
• RQ5 未来巡天（如DESI、PFS与WAVES）将如何通过更精确的SHMR弥散测量，提升对 $t_{\text{duty}}$ 与 $r$ 的约束？

主要发现

• 较短的恒星形成占空比 timescale（$t_{\text{duty}}$）可导致更紧的SHMR弥散：$σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ 从 $t_{\text{duty}} = 10$ Gyr 时的0.32 dex 降低至 $t_{\text{duty}} = 0.1$ Gyr 时的0.26 dex
• 当 $r = 0.99$ 时，需满足 $t_{\text{duty}} \leq 1.5$ Gyr 才能重现 $z=0$ 时 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dex；当 $r \sim 0.6$ 时，需 $t_{\text{duty}} \lesssim 0.2$ Gyr
• 为匹配TNG模拟中从 $z=1$ 到 $z=0$ SHMR弥散由0.35到0.2 dex的观测演化，需 $t_{\text{duty}} = 0.1$ Gyr 且 $r > 0.5$
• 当 $r$ 较低时，即使采用最短的 $t_{\text{duty}} = 0.1$ Gyr，模型也难以重现 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot} \sim 0.2$ dex，表明其对 $r$ 有强烈依赖性
• 当前 $z=0$ 与 $z=1$ 处 $σ_{M_*|M_h=10^{12}M_\odot}$ 观测结果缺乏共识，仍是精确约束 $t_{\text{duty}}$ 与 $r$ 的主要瓶颈
• SHMR弥散是星系形成物理过程的敏感探针，尤其在较低晕质量下更为显著，未来巡天（DESI、PFS、WAVES）将显著提升对 $t_{\text{duty}}$ 与 $r$ 的约束能力