[论文解读] A Comparison between Semi-Analytic Model Predictions for the CANDELS Survey

Yu Lu, Risa H. Wechsler+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 64

一句话总结

本研究将三个独立发展的半解析星系形成模型应用于相同的Bolshoi N体模拟晕系，利用贝叶斯推断匹配本地恒星质量函数。尽管反馈和恒星形成方案存在差异，模型预测的恒星质量形成历史相似，但在金属丰度-恒星质量关系及恒星形成率方面显著分歧，揭示了在匹配恒星质量函数的暗端与观测金属丰度约束之间存在根本性矛盾。

ABSTRACT

We compare the predictions of three independently developed semi-analytic galaxy formation models that are being used to aid in the interpretation of results from the CANDELS survey. These models are each applied to the same set of halo merger trees extracted from the "Bolshoi" simulation and are carefully tuned to match the local galaxy stellar mass function using the powerful method of Bayesian Inference coupled with MCMC or by hand. The comparisons reveal that in spite of the significantly different parameterizations for star formation and feedback processes, the three models yield qualitatively similar predictions for the assembly histories of galaxy stellar mass and star formation over cosmic time. We show that the SAMs generally require strong outflows to suppress star formation in low-mass halos to match the present day stellar mass function. However, all of the models considered produce predictions for the star formation rates and metallicities of low-mass galaxies that are inconsistent with existing data and diverge between the models. We suggest that large differences in the metallicity relations and small differences in the stellar mass assembly histories of model galaxies stem from different assumptions for the outflow mass-loading factor. Importantly, while more accurate observational measurements for stellar mass, SFR and metallicity of galaxies at 1

研究动机与目标

• 评估三个独立开发的半解析星系形成模型在预测CANDELS巡天星系属性方面的一致性。
• 评估恒星形成与反馈过程的不同参数化是否在调优以匹配本地恒星质量函数后仍导致预测结果的显著差异。
• 识别哪些观测量——尤其是金属丰度、恒星形成率和宁静星系分数——最能区分不同模型。
• 突出显示模型预测与观测之间的持续差异，特别是1 < z < 5时低质量星系的差异。
• 通过模拟光锥星系目录量化模型偏差与不确定性，为解释即将发布的CANDELS巡天数据提供理论基础。

提出的方法

• 将三种不同的半解析模型（Lu、Croton 和 Behroozi）应用于来自高分辨率Bolshoi N体模拟的相同晕系并合树。
• 使用贝叶斯推断结合马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）或手动调参，校准模型参数以重现本地星系恒星质量函数。
• 预测宇宙时间（z = 0 至 z = 8）内的星系属性，包括恒星质量、恒星形成率、金属丰度和宁静星系分数。
• 在相同的红移与质量区间内直接比较模型输出，以隔离由反馈与恒星形成方案差异引起的结果差异。
• 构建匹配CANDELS巡天几何结构的模拟光锥星系目录，以评估观测偏差与不确定性。
• 分析金属丰度-恒星质量关系及其演化，重点关注外流质量载荷因子在驱动模型差异中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 当校准至相同的本地恒星质量函数时，三个独立开发的半解析模型在预测星系恒星质量形成历史与恒星形成历史方面表现如何？
• RQ2 反馈与恒星形成参数化的差异在多大程度上导致金属丰度-恒星质量关系及其演化的预测结果出现显著分歧？
• RQ3 为何能够成功重现本地恒星质量函数暗端斜率的模型，却无法匹配低质量星系中的观测金属丰度？
• RQ4 哪些观测量——尤其是金属丰度、恒星形成率和宁静星系分数——在模型之间表现出最大差异，从而提供最强约束？
• RQ5 这些模型生成的模拟光锥目录如何通过量化系统性偏差，提升对CANDELS巡天数据的解释能力？

主要发现

• 尽管参数化方式不同，三个模型在星系恒星质量宇宙形成历史和恒星形成率方面均产生定性相似的预测结果。
• 所有模型均需强外流（高达 ~1 M☉ yr⁻¹）以抑制低质量晕系中的恒星形成，从而匹配本地恒星质量函数的暗端斜率。
• 模型预测的金属丰度-恒星质量关系显著比观测结果更陡峭，其中Lu模型因反馈导致高效的金属喷射而预测最陡的金属丰度关系。
• Croton模型保留了晕系中的再加热气体，因此预测低质量星系的金属丰度最高；而Lu模型在高红移时对给定质量的星系预测金属丰度最低。
• 不同模型在金属丰度-恒星质量关系的演化趋势上存在显著差异，表明反馈参数化——尤其是外流质量载荷因子——主导了模型之间的分歧。
• 在1 < z < 5时，低质量星系中金属丰度与恒星形成率的模型预测与观测结果之间的差异，凸显了当前星系形成反馈建模中的根本性问题。