[论文解读] On the Origin and Evolution of the Galaxy Stellar Mass Function

Daniel D. Kelson, Andrew Benson+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2016

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 12被引用 8

一句话总结

本文提出了一种平稳随机过程框架，利用牛顿引力和平均恒星形成效率来解释星系恒星质量函数的早期演化。该框架通过解析推导得出特征恒星质量、低质量幂律指数（α ≈ −7/5）、归一化值以及红移演化（z ≈ 12.5 至 z ≈ 2），表明由重子加速引起的聚集偏置可导致高密度区域增长更快，且无需引入显式反馈机制或质量依赖的效率模型。

ABSTRACT

Here we explore the evolution of galaxy ensembles at early times by writing the in situ stellar mass growth of galaxies purely as a stationary stochastic (e.g., quasi-steady state) process. By combining the mathematics of such processes with Newtonian gravity and a mean local star formation efficiency, we show that the stellar mass evolution of galaxy ensembles is directly related to the average acceleration of baryons onto dark matter halos at the onset of star formation, with explicit dependencies on initial local matter densities and halo mass. The density term specifically implies more rapid average rates of growth in higher density regions of the universe compared to low density regions, i.e., assembly bias. With this framework, using standard cosmological parameters, a mean star formation efficiency derived by other authors, and knowledge of the shape of the cosmological matter power spectrum at small scales, we analytically derive (1) the characteristic stellar masses of galaxies (M*), (2) the power-law low-mass slope (alpha) and normalization (phi*) of the stellar mass function, and (3) the evolution of the stellar mass function in time over 12.5 > z > 2. Correspondingly, the rise in the cosmic star formation rate density over these epochs, while the universe can sustain unabated fueling of star formation, also emerges naturally. All of our findings are consistent with the deepest available data, including the expectation of alpha~-7/5; i.e., a stellar mass function low-mass slope that is notably shallower than that of the halo mass function, and with no systematic deviations from a mean star formation efficiency with density or mass, nor any explicit, additional feedback mechanisms. These derivations yield a compelling richness and complexity but also show that very few astrophysical details are required to understand the evolution of cosmic ensemble of galaxies at early times.

研究动机与目标

• 开发一种基于物理原理的、解析的星系恒星质量函数演化框架，避免依赖复杂模拟或人为反馈模型。
• 解决慢速平均集合演化与个体星系生长历史内在动态性之间的脱节问题。
• 基于宇宙学参数和物质功率谱，从第一性原理推导恒星质量函数的形状与演化。
• 检验是否可通过对原位恒星质量增长的平稳随机过程建模，重现观测到的特征（如浅的低质量幂律指数 α ≈ −7/5）和宇宙星形成率密度的上升。
• 证明聚集偏置——由初始重子加速至暗物质晕上所驱动——可自然解释宇宙密度场中星系集合的差异性增长速率。

提出的方法

• 将星系恒星质量增长建模为平稳随机过程，假设随时间保持准稳态恒星形成。
• 应用牛顿引力计算在 z ≈ 10–15 时重子向暗物质晕的平均加速度，将其与恒星质量增长速率关联。
• 引入外部研究中得出的平均局部恒星形成效率，假设其在不同密度和质量尺度上保持恒定。
• 利用小尺度宇宙物质功率谱的形态，指导初始重子吸积速率的分布。
• 通过求解该随机过程的类似福克-普朗克方程，解析推导恒星质量函数，得出 M*、α、φ* 及其红移演化。
• 在不调节反馈或效率参数的前提下，通过深度观测数据验证模型，包括低质量幂律指数和宇宙星形成率密度演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系恒星质量函数从 z ≈ 12.5 至 z ≈ 2 的演化是否可在不引入显式反馈机制或质量依赖的恒星形成效率下得到解释？
• RQ2 观测到的浅低质量幂律指数（α ≈ −7/5）是否可自然地从由重子加速驱动的随机增长过程中产生，尤其是在高密度区域？
• RQ3 由重子吸积速率差异引起的聚集偏置，在多大程度上可解释宇宙密度场中星系集合的差异性增长？
• RQ4 在该随机框架下，早期宇宙时期宇宙星形成率密度的上升是否可作为持续重子供料的自然结果重现？
• RQ5 观测到的恒星质量函数形状在时间上保持恒定，是否与平稳随机过程一致？若不一致，则是否需要非平稳或非局域物理机制？

主要发现

• 该模型通过宇宙学参数和物质功率谱，解析推导出星系恒星质量函数的特征恒星质量（M*）。
• 恒星质量函数的低质量幂律指数被预测为 α ≈ −7/5，与深度观测数据一致，且与晕质量函数的幂律指数显著不同。
• 在 12.5 ≥ z ≳ 2 的红移范围内，恒星质量函数的归一化值（φ*）及其演化无需引入额外自由参数或反馈方案即可重现。
• 在相同红移范围内，宇宙星形成率密度的上升自然地从该随机增长模型中持续供料机制中产生。
• 该框架表明，高密度区域初始重子加速度更高，导致平均恒星质量增长更快，从而为聚集偏置提供了物理解释。
• 该模型在所有恒星质量函数的关键特征（包括其形状与演化）上均与深度观测数据保持一致，且除平均恒星形成效率和牛顿引力外，仅需极少的天体物理输入。