[論文レビュー] Sub-mm Galaxies In Cosmological Simulations

MA Fardal, Neal Katz+3 more|ScholarWorks@UMassAmherst (University of Massachusetts Amherst)|Jan 1, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、$Λ$CDM宇宙論における宇宙規模の流体力学的シミュレーションを用いて、遠赤外線領域で星光をダストが再放射するという仮定の下、準ミリ波長銀河をモデル化している。妥当なダスト温度（$T=35$ K）と発光能率（$\beta=1.0$）を仮定した場合、観測されたSCUBA調査の1 mJy以上の領域で、シミュレートされた数密度が観測値と一致し、中央値赤方偏移は$z \approx 2$ となり、ボリューム的全放射能に対して相対的に高い850 µmの放射能が、検証可能な主要な特徴として予測される。

ABSTRACT

We study the predicted sub-mm emission from massive galaxies in a Lambda-CDM universe, using hydrodynamic cosmological simulations. Assuming that most of the emission from newly formed stars is absorbed and reradiated in the rest-frame far-IR, we calculate the number of galaxies that would be detected in sub-mm surveys conducted with SCUBA. The predicted number counts are strongly dependent on the assumed dust temperature and emissivity law. With plausible choices for SED parameters (e.g., T=35 K, beta=1.0), the simulation predictions reproduce the observed number counts above ~ 1 mJy. The sources have a broad redshift distribution with median z ~ 2, in reasonable agreement with observational constraints. However, the predicted count distribution may be too steep at the faint end, and the fraction of low redshift objects may be larger than observed. In this physical model of the sub-mm galaxy population, the objects detected in existing surveys consist mainly of massive galaxies (several M_*) forming stars fairly steadily over timescales ~ 10^8-10^9 years, at moderate rates ~100 Msun/yr. The typical descendants of these sub-mm sources are even more massive galaxies, with old stellar populations, found primarily in dense environments. While the resolution of our simulations is not sufficient to determine galaxy morphologies, these properties support the proposed identification of sub-mm sources with massive ellipticals in the process of formation. The most robust and distinctive prediction of this model, stemming directly from the long timescale and correspondingly moderate rate of star formation, is that the far-IR SEDs of SCUBA sources have a relative high 850 micron luminosity for a given bolometric luminosity. [Abridged]

研究の動機と目的

• 物理的に妥当な宇宙論的シミュレーションフレームワークを用いて、準ミリ波長銀河の集団をモデル化すること。
• 観測されたSCUBA検出準ミリ波長銀河の数密度と赤方偏移分布が、現実的なダスト再放射を伴う$Λ$CDMモデルで再現可能かどうかを検証すること。
• 遠赤外線スペクトルエネルギー分布（SED）、クラスタリング、準ミリ波長源の進化的後継体に関する、強固で検証可能な予測を特定すること。
• 短時間にわたる爆発的星形成ではなく、大質量銀河における安定的で中程度の星形成率が、準ミリ波長放射の起源であるかを評価すること。
• 準ミリ波長源の現象論的モデルに対する、物理的に根拠のある代替モデルを提供すること。

提案手法

• 中程度の質量分解能を用いた、$Λ$CDM宇宙論における大スケール領域の流体力学的宇宙論的シミュレーション。
• 星形成、反動力、紫外線／可視光のダスト再放射による遠赤外線領域への変換を経て、銀河形成と進化を追跡する。
• 新しく形成された星光がすべて吸収され、静止系の遠赤外線領域に再放射されるものと仮定し、パラメータ$T=35$ Kおよび$\beta=1.0$を用いた修正ブラックボディスペクトルエネルギー分布（SED）を用いて準ミリ波長フラックスを計算する。
• 観測されたSCUBA調査データと比較するため、赤方偏移と放射能の積分を用いて数密度を計算する。
• 準ミリ波長源に対して、$10^8$～$10^9$年間、一定の星形成率が維持されると仮定する。
• 源の環境と赤方偏移分布に関する観測的制約を検証するため、クラスタリングおよび赤方偏移空間における分布を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された1 mJy以上の準ミリ波長銀河の数密度は、$Λ$CDM宇宙論における物理的に妥当な銀河形成モデルで再現可能か？
• RQ2 シミュレートされた準ミリ波長源の典型的な赤方偏移分布は何か？ また、観測的制約と比較するとどうなるか？
• RQ3 本モデルが予測する準ミリ波長源の主なSED特性、特に850 µmでの特性は何か？
• RQ4 準ミリ波長源の星形成歴および形態的性質は、その進化的後継体とどのように関係しているか？
• RQ5 準ミリ波長銀河のクラスタリング特性は赤方偏移空間および角度空間でどうなるか？ また、ライマンブレイク銀河とはどのように異なるか？

主な発見

• 妥当なダストパラメータ（$T=35$ K、$\beta=1.0$）を仮定した場合、シミュレートされた数密度は1 mJy以上の観測された準ミリ波長数密度と一致する。
• シミュレートされた準ミリ波長源の中央値赤方偏移は$z \approx 2$ であり、現在の観測的制約と整合的である。
• モデルは観測値よりも急な明るさの端末カーブを予測しており、明るさが小さい源の過剰生産を示唆している。
• シミュレーションにおける低赤方偏移準ミリ波長源の割合は観測値よりも高いことから、低$z$での放射能が過剰に予測されている可能性がある。
• 準ミリ波長源は主に質量$\gtrsim 10^{11} M_\odot$の大質量銀河であり、$10^8$～$10^9$年間にわたって$\sim 100\,M_\odot\,\mathrm{yr}^{-1}$の安定的で中程度の星形成率を示す。
• 最も顕著な予測は、全放射能に対して相対的に高い850 µm放射能を示すことである。これはSED測定によって検証可能である。