[論文レビュー] The formation of disk galaxies in a LCDM universe

Oscar Agertz, Romain Teyssier+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ΛCDMフレームワーク下で適応メッシュリファインメントシミュレーションを用い、低星形成効率と中程度の超新星フィードバックが、はるかに広がった安定した円盤銀河を、銀河系に類似した性質を示すものとして形成可能であることを示している。主な結果は、平坦な回転曲線、B/D ≈ 1/4、そして現実的な角運動量を持つ円盤銀河の成功した形成であり、静的で回転する渦巻銀河をシミュレートする際の長年の課題を解決している。

ABSTRACT

We study the formation of disc galaxies in a fully cosmological framework using adaptive mesh refinement simulations. We perform an extensive parameter study of the main subgrid processes that control how gas is converted into stars and the coupled effect of supernovae feedback. We argue that previous attempts to form disc galaxies have been unsuccessful because of the universal adoption of strong feedback combined with high star formation efficiencies. Unless extreme amounts of energy are injected into the interstellar medium during supernovae events, these star formation parameters result in bulge dominated S0/Sa galaxies as star formation is too efficient at z~3. We show that a low efficiency of star-formation more closely models the subparsec physical processes, especially at high redshift. We highlight the successful formation of extended disc galaxies with scale lengths r_d=4-5 kpc, flat rotation curves and bulge to disc ratios of B/D~1/4. Not only do we resolve the formation of a Milky Way-like spiral galaxy, we also observe the secular evolution of the disc as it forms a pseudo-bulge. The disc properties agree well with observations and are compatible with the photometric and baryonic Tully-Fisher relations, the Kennicutt-Schmidt relation and the observed angular momentum content of spiral galaxies. We conclude that underlying small-scale star formation physics plays a larger role than previously considered in simulations of galaxy formation.

研究の動機と目的

• 宇宙論的枠組み内での拡張円盤銀河形成における小スケール物理の役割を調査すること。
• 過去のシミュレーションが、フィードバックが強すぎるおよび星形成効率が高すぎるために、静的で円盤優勢な銀河を形成できなかったという問題に対処すること。
• 観測された円盤の性質（スケール長、回転曲線、バルジ対円盤比）を再現する星形成およびフィードバックのパラメータ空間を特定すること。
• 小スケール星形成物理学が、観測された渦巻銀河の角運動量およびバリオン物質含量を説明できるかどうかを評価すること。

提案手法

• 小スケールの星間媒体プロセスを解像するため、適応メッシュリファインメント（AMR）を用いた宇宙論的シミュレーションを実施する。
• 星形成効率および超新星からのエネルギー注入のパラメータを体系的に調査する。
• ガス密度および冷却時間に依存する星形成の小スケールモデルを用い、フィードバックは超新星からのエネルギー供給によってモデル化する。
• 宇宙時間にわたる円盤性質（スケール長、回転曲線、バルジ対円盤比）の進化を追跡する。
• Tully-Fisher関係、Kennicutt-Schmidt則、角運動量含量といった観測関係とシミュレートされた銀河性質を比較する。
• 形成中の円盤における擬似バルジの発展をモニタリングすることで、定常的進化を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの星形成効率と超新星フィードバックの組み合わせが、観測された形態的および運動的性質を持つ安定で広がった円盤銀河を生成するか？
• RQ2 なぜ過去の宇宙論的シミュレーションは、フィードバックを含んでも円盤優勢な銀河を形成できなかったのか？
• RQ3 高赤方偏移（z ~ 3）における低星形成効率が、円盤スケール長および角運動量の形成にどのように影響するか？
• RQ4 シミュレートされた円盤性質が、光度的およびバリオン物質的Tully-Fisher関係にどの程度一致するか？
• RQ5 現実的な小スケール物理を用いた宇宙論的シミュレーションで、観測されたバルジ対円盤比（B/D ≈ 1/4）および擬似バルジの形成を再現できるか？

主な発見

• 高赤方偏移（z ~ 3）における低星形成効率は、初期の過剰な星形成を防ぎ、過剰に質量の大きなバルジの形成を回避する。
• 中程度の超新星フィードバックと組み合わせた低星形成効率により、スケール長4–5 kpc、平坦な回転曲線を持つ円盤銀河が形成される。
• シミュレートされた銀河は、バルジ対円盤比が約1/4となり、S0/Sa型銀河の観測結果と一致する。
• 円盤は定常的進化を示し、時間とともに擬似バルジを形成しており、これは銀河系の形態と一致する。
• シミュレートされた銀河は、光度的およびバリオン物質的Tully-Fisher関係、および星形成のKennicutt-Schmidt則を満たす。
• シミュレートされた円盤の角運動量含量は、実際の渦巻銀河で観測されたものと一致しており、現実的な形成物理を反映していると示唆される。