[논문 리뷰] The THESAN project: galaxy sizes during the epoch of reionization

Xuejian Shen, Mark Vogelsberger외 13명|arXiv (Cornell University)|2024. 02. 13.

Astronomy and Astrophysical Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 thesan 방사-자기유체-수치 시뮬레이션을 사용하여 z ≳ 6에서 은하 크기를 분석하고, 고유의 크기–질량 추세, 대형 은하의 compaction, 그리고 관측된 UV 크기와의 긴장을 드러낸다.

ABSTRACT

We investigate galaxy sizes at redshift $z\gtrsim 6$ with the cosmological radiation-magneto-hydrodynamic simulation suite THESAN(-HR). These simulations simultaneously capture the reionization of the large-scale intergalactic medium and resolved galaxy properties. The intrinsic size ($r^{\ast}_{1/2}$) of simulated galaxies increases moderately with stellar mass at $M_{\ast} \lesssim 10^{8}\,{ m M}_{\odot}$ and decreases fast at larger masses, resulting in a hump feature at $M_{\ast}\sim 10^{8}\,{ m M}_{\odot}$ that is insensitive to redshift. Low-mass galaxies are in the initial phase of size growth and are better described by a spherical shell model with feedback-driven gas outflows competing with the cold inflows. In contrast, massive galaxies fit better with the disk formation model. They generally experience a phase of rapid compaction and gas depletion, likely driven by internal disk instability rather than external processes. We identify four compact quenched galaxies in the $(95.5\,{ m cMpc})^{3}$ volume of THESAN-1 at $z\simeq 6$, and their quenching follows reaching a characteristic stellar surface density akin to the massive compact galaxies at cosmic noon. Compared to observations, we find that the median UV effective radius ($R^{ m UV}_{ m eff}$) of simulated galaxies is at least three times larger than the observed ones at $M_{\ast}\lesssim 10^{9}\,{ m M}_{\odot}$ or $M_{ m UV}\gtrsim -20$ at $6 \lesssim z \lesssim 10$. This inconsistency, related to the hump feature of the intrinsic size--mass relation, persists across many other cosmological simulations with different galaxy formation models and demonstrates the potential of using galaxy morphology to constrain the physics of galaxy formation at high redshifts.

연구 동기 및 목표

• 은핵 재이온화 시대(z ≳ 6) 동안 은하 크기가 어떻게 진화하는지 방사-유체역학적 프레임워크에서 조사한다.
• 광범위한 별 질량 범위에 걸쳐 고유의 크기–질량 관계와 그 진화를 특징지는다.
• 초기 은하에서의 크기 증가, 응집, 퀀칭을 이끄는 물리적 메커니즘을 규명한다.
• 시뮬레이션 은하의 크기를 JWST 관측과 비교하고 형태 측정의 불확실성을 평가한다.

제안 방법

• 방사전이와 자장유체역학을 결합하고 IllustrisTNG 기반의 은하 형성 모델을 포함하는 thesan 및 thesan-hr 시뮬레이션 스위트를 사용한다.
• 시뮬레이션 데이터와 모의 이미지를 이용해 고유 3D 별 질량 반치수(r*1/2)와 2D 유효 반경(R_eff)을 계산한다.
• SFMS(별 형성 주축)에서 0.2 dex 구간으로 구간화하고 sSFR 임계값 −1.0 dex를 기준으로 별 형성 은하와 퀜치드 은하로 분류하는 포스트 프로세싱을 수행한다.
• dust, 성운 발광, UV/광 밴드를 포함한 SKIRT 복사전이를 활용한 모의 이미지를 생성하여 rest-frame UV 및 V 밴드에서의 크기 측정을 가능하게 한다.
• 질량과 적색편차에 따라 고유 크기를 비교하고 관측된 UV 크기 및 다른 우주론 시뮬레이션 결과와 대조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 thesan이 예측하는 재전자의 시대(z ≳ 6) 은하의 고유 크기–질량 관계는 무엇인가?
• RQ2 저질량과 대형 은하 간의 크기 경향은 어떻게 다르며 이러한 경향을 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ3 시뮬레이션 은하의 크기가 rest-frame UV/광밴드에서 JWST 관측과 일치하는가, 불일치의 원인은 무엇인가?
• RQ4 고적시 은하의 퀜칭이 크기 진화와 표면 밀도에 어떻게 연관되는가?

주요 결과

• M* ≲ 10^8 Msun에서 은하의 고유 크기가 질량 증가와 함께 보통 증가하고, 더 큰 질량에서 빠르게 감소하여 M* ≈ 10^8 Msun 부근에서 험프를 형성한다.
• 저질량 은하는 초기 성장 단계에 있으며 피드백에 의해 유도된 유출이 차가운 흐름과 경쟁하는 구형 껍질 모델로 더 잘 기술되고, 대형 은하는 원형 구조 형성과 가스 고갈에 따른 급속한 응집으로 기울어지는 경향이 있다.
• thesan-1 부피에서 z ≈ 6일 때 네 cal는 (z ≈ 6)에서 차례로 나타나며, 특성적 표면 밀도에 도달한 이후에 퀜칭이 발생한다.
• 시뮬레이션 은 은하의 UV 유효 반경 중앙값이 관측치보다 최소한 세 배 크며, 6 ≲ z ≲ 10에서 M* ≲ 10^9 Msun 또는 M_UV ≳ −20인 경우에 해당한다; 또한 M* ≈ 10^8 Msun에서 UV R_eff가 300 pc 이하인 컴팩트 은하의 모수를 놓치고 있다.
• 다양한 하위 격자 물리 모델을 갖춘 다수의 우주론 시뮬레이션에서도 이러한 불일치가 지속되며, 고-z 은하 형성 물리의 제약으로서 은하 형태가 중요한 역할을 할 수 있음을 시사한다.