[논문 리뷰] Massive disc galaxies in cosmological hydrodynamical simulations are too dark matter-dominated

Antonino Marasco, Lorenzo Posti외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 04.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 67인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 EAGLE 및 IllustrisTNG 은하계 유체역학 시뮬레이션에서의 거대 디스크 은하를 SPARC 데이터셋에서의 관측된 H i 회전곡선과 비교한다. 시뮬레이션된 디스크는 관측된 것보다 훨씬 어두운 물질에 의해 지배되며, 모든 반경에서 음성질량 대비 총질량 비율이 1.5–2배 낮다. 이는 과도하게 강한 피드백으로 인한 복사체에서 별로의 전환 효율이 떨어지기 때문이며, 이는 '실패한 피드백 문제'의 핵심적 표현이다.

ABSTRACT

We investigate the disc-halo connection in massive (Mstar/Msun>5e10) disc galaxies from the cosmological hydrodynamical simulations EAGLE and IllustrisTNG, and compare it with that inferred from the study of HI rotation curves in nearby massive spirals from the Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) dataset. We find that discrepancies between the the simulated and observed discs arise both on global and on local scales. Globally, the simulated discs inhabit halos that are a factor ~4 (in EAGLE) and ~2 (in IllustrisTNG) more massive than those derived from the rotation curve analysis of the observed dataset. We also use synthetic rotation curves of the simulated discs to demonstrate that the recovery of the halo masses from rotation curves are not systematically biased. We find that the simulations predict dark-matter dominated systems with stellar-to-total enclosed mass ratios that are a factor of 1.5-2 smaller than real galaxies at all radii. This is an alternative manifestation of the `failed feedback problem', since it indicates that simulated halos hosting massive discs have been too inefficient at converting their baryons into stars, possibly due to an overly efficient stellar and/or AGN feedback implementation.

연구 동기 및 목표

• 우주론적 유체역학 시뮬레이션에서 거대 디스크 은하($M_\star > 5 \times 10^{10}\,M_\odot$)의 디스크-은하핵 관계를 조사하기 위해.
• SPARC 데이터셋에서 추론된 관측된 H i 회전곡선과 시뮬레이션된 회전곡선 및 은하핵 질량을 비교하기 위해.
• 시뮬레이션과 관측 간의 격리가 회전곡선 복원의 체계적 편향 때문인지, 아니면 모델의 내재적 결함 때문인지 판단하기 위해.
• 시뮬레이션에서 피드백 구현 방식이 지나치게 효율적인지 평가하여, 별 형성 억제와 어두운 물질 핵의 과다 질량화를 초래하는지 확인하기 위해.
• 현실의 거대 나선은하에서 관측된 단조로운 음성질량 대 은하핵 질량 관계(SHMR)가 현재의 ΛCDM 시뮬레이션에서 재현 가능한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 우주론적 유체역학 시뮬레이션인 EAGLE 및 IllustrisTNG을 사용하여 $z=0$에서 거대 디스크 은하의 성질을 추출하였다.
• 관측된 SPARC 데이터셋의 회전곡선과 비교하기 위해 시뮬레이션된 은하에서 합성 H i 회전곡선을 구축하였다.
• 관측된 SPARC 회전곡선의 질량 분해를 수행하여 음성질량, 기체질량 및 총 동역학질량과 은하핵 질량을 유도하였다.
• 모든 반경 스케일에서 시뮬레이션된 디스크와 관측된 디스크의 음성질량 대 총질량 비율($M_\star/M_{\rm dyn}$) 프로파일을 비교하였다.
• 시뮬레이션에서의 $M_{\rm halo}$와 회전곡선에서 추론된 $M_{\rm halo}$를 비교하여 은하핵 질량의 전반적 격리를 정량화하였다.
• 회전곡선 복원의 편향이 관측된 격리의 원인일 수 있는지 평가하였으며, 시뮬레이션에서의 체계적 편향은 발견되지 않았다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EAGLE 및 IllustrisTNG 시뮬레이션에서의 거대 디스크 은하는 SPARC 데이터셋의 관측된 H i 회전곡선에서 유도된 것과 유사한 은하핵 질량을 가지는가?
• RQ2 시뮬레이션된 디스크는 관측된 거대 나선은하보다 어두운 물질에 더 지배적인가, 그리고 얼마나 더 많은가?
• RQ3 시뮬레이션된 디스크에서 음성질량 대 총질량 비율의 격리는 회전곡선 모델링의 편향 때문인가, 아니면 피드백 물리학의 물리적 결함 때문인가?
• RQ4 현실의 거대 나선은하에서 관측된 단조로운 SHMR는 현재의 ΛCDM 유체역학 시뮬레이션 예측을 어느 정도 도전하는가?
• RQ5 디스크 구조와 은하핵 질량 간의 관측된 불일치는 시뮬레이션에서 지나치게 효율적인 피드백 구현으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• EAGLE에서의 시뮬레이션된 거대 디스크는 SPARC 회전곡선에서 추론된 것보다 약 4배 더 큰 질량의 은하핵을 갖는다.
• IllustrisTNG에서는 시뮬레이션된 은하핵 질량이 관측된 회전곡선에서 유도된 것보다 약 2배 더 크다.
• 모든 반경에서 시뮬레이션된 디스크의 음성질량 대 총질량 비율($M_\star/M_{\rm dyn}$)은 관측된 거대 나선은하보다 1.5–2배 낮다.
• 은하핵 질량과 질량 비율의 격리는 회전곡선 복원의 체계적 편향 때문이 아니며, 시뮬레이션에서의 합성 회전곡선이 관측된 프로파일을 정확히 재현하기 때문이다.
• 불일치는 피드백 구현이 지나치게 효율적이기 때문이며, 이는 복사체에서 별로의 전환 효율이 떨어지고 어두운 물질 핵이 과다 질량화됨을 초래한다.
• 이러한 결과는 '실패한 피드백 문제'의 국소적 표현이며, 피드백이 거대 핵에서 별 형성을 억제하지 못함으로써 현실적으로 어두운 물질에 의해 지배되는 시스템이 되는 것을 의미한다.