[论文解读] The Average Star Formation Histories of Galaxies in Dark Matter Halos from z=0-8

Peter Behroozi, Risa H. Wechsler+1 more|OSTI OAI (U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information)|Jul 25, 2012

Astronomy and Astrophysical Research被引用 25

一句话总结

本文提出了一种自洽的、基于经验校准的星系恒星形成历史模型，覆盖宇宙学红移 z=0 至 z=8，利用丰度匹配和晕质量函数约束，将星系恒星质量与恒星形成率与暗物质晕属性关联起来。其核心贡献是一个稳健且具备不确定性感知的框架，能够统一宇宙星形成率、恒星质量函数与特定恒星形成率，揭示出在 10¹² M☉ 晕中恒星形成效率达到峰值，并且在 z≈2.5 之后，重子物质转化为恒星的效率急剧下降。

ABSTRACT

We present a robust method to constrain average galaxy star formation rates, star formation histories, and the intracluster light as a function of halo mass. Our results are consistent with observed galaxy stellar mass functions, specific star formation rates, and cosmic star formation rates from z=0 to z=8. We consider the effects of a wide range of uncertainties on our results, including those affecting stellar masses, star formation rates, and the halo mass function at the heart of our analysis. As they are relevant to our method, we also present new calibrations of the dark matter halo mass function, halo mass accretion histories, and halo-subhalo merger rates out to z=8. We also provide new compilations of cosmic and specific star formation rates; more recent measurements are now consistent with the buildup of the cosmic stellar mass density at all redshifts. Implications of our work include: halos near 10^12 Msun are the most efficient at forming stars at all redshifts, the baryon conversion efficiency of massive halos drops markedly after z ~ 2.5 (consistent with theories of cold-mode accretion), the ICL for massive galaxies is expected to be significant out to at least z ~ 1-1.5, and dwarf galaxies at low redshifts have higher stellar mass to halo mass ratios than previous expectations and form later than in most theoretical models. Finally, we provide new fitting formulae for star formation histories that are more accurate than the standard declining tau model. Our approach places a wide variety of observations relating to the star formation history of galaxies into a self-consistent framework based on the modern understanding of structure formation in LCDM. Constraints on the stellar mass-halo mass relationship and star formation rates are available for download at http://www.peterbehroozi.com/data.html .

研究动机与目标

• 在 ΛCDM 框架内，统一宇宙学红移 z=0 至 z=8 的观测星形成率、恒星质量函数与特定星形成率。
• 约束星系平均恒星形成历史作为暗物质晕质量的函数，同时考虑观测与建模中的不确定性。
• 量化恒星形成与并合在星系质量增长中的作用，包括星系团内光（ICL）的贡献。
• 提供新的、精确的星形成历史拟合公式，其性能优于标准的衰减 tau 模型。
• 校准至 z=8 的晕质量函数、吸积历史与并合率，为星系-晕关联建模提供更坚实的基础。

提出的方法

• 使用从 z=0 到 z=1 一致的方法，对观测星系恒星质量与暗物质晕质量进行经验丰度匹配。
• 整合更新的观测数据，包括低红移的 PRIMUS 和 SDSS+GALEX 恒星质量函数，以及红移高达 z≈8 的高红移巡天数据。
• 利用 Bolshoi 与 MultiDark N体模拟，对 z=8 以内的晕质量函数、吸积历史与子晕并合率进行建模。
• 应用贝叶斯框架，将恒星质量、恒星形成率与晕质量函数中的不确定性传播至最终约束结果。
• 开发新的星形成历史拟合公式：在高红移使用幂律形式（公式 22），并在所有红移范围内适用的更一般形式（公式 23–24）。
• 系统分析恒星质量与晕质量的关系，揭示由于恒星质量函数低质量端的上翘，其与双幂律拟合存在偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系的平均恒星形成历史如何随暗物质晕质量变化，从 z=0 至 z=8？
• RQ2 重子物质转化效率（即转化为恒星的重子物质比例）如何随晕质量与红移变化？
• RQ3 星系质量增长在多大程度上由原位恒星形成驱动，而非并合？这一机制如何随晕质量与红移变化？
• RQ4 在大质量星系中，有多少比例的恒星位于星系团内光（ICL）中？这一比例如何随红移演化？
• RQ5 恒星质量与恒星形成率的观测不确定性如何影响推断出的星系-晕关联与恒星形成历史？

主要发现

• 质量约为 10¹² M☉ 的晕在恒星形成方面最为高效，在 z=0 至 z=8 的所有红移下，重子物质转化效率为 20–40%。
• 对于大质量晕（M_halo > 10¹² M☉），在 z≈2.5 之后重子物质转化效率急剧下降，与星系形成模型中冷模式吸积的衰减一致。
• 对于大质量星系（M∗ > 10¹¹ M☉），在 z≈1–1.5 以内，预计其星系团内光中的恒星质量至少与中心星系中的恒星质量相当，具体取决于质量定义。
• 在 z=0 时，银河系质量（M_halo ≈ 10¹² M☉）附近，星系质量增长由并合主导转向恒星形成主导，低质量星系中恒星形成占主导。
• 矮星系（M∗ < 10⁸.⁵ M☉）的恒星质量与晕质量比高于以往预期，低红移恒星质量函数在低质量端的显著上翘表明低质量处恒星形成效率增强。
• 新的星形成历史拟合公式（公式 22–24）比标准的衰减 tau 模型更准确，尤其在高红移与不同晕质量下表现更优。