[论文解读] A Research Note on the Implementation of Star Formation and Stellar Feedback in Semi-Analytic Models

Fabio Fontanot, G. De Lucia+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2013

Inertial Sensor and Navigation被引用 3

一句话总结

本研究探讨了在半解析模型（SAMs）中，不同的恒星形成与超新星反馈方案如何影响星系属性，所用暗物质晕并合树均来自N体模拟。尽管整体趋势一致——如热气体分数增加、冷气体减少——但在银河系质量附近的星系中，恒星与气体含量存在关键差异，其中杜伦模型表现出显著低于慕尼黑与morgana模型的恒星形成速率与恒星质量。

ABSTRACT

We study the impact of star formation and stellar feedback prescriptions on galaxy properties predicted by means of "stripped-down" versions of independently developed semi-analytic models (SAMs). These include cooling, star formation, feedback from supernovae (SNe) and simplified prescriptions for galaxy merging, but no chemical evolution, disc instabilities or AGN feedback. We run these versions on identical samples of dark matter (DM) haloes extracted from high-resolution N-body simulations in order to perform both statistical analysis and object-by-object comparisons. We compare our results with previous work based on stripped-down versions of the same SAMs including only gas cooling, and show that all feedback models provide coherent modifications in the distribution of baryons between the various gas phases. In particular, we find that the predicted hot gas fractions are considerably increased by up to a factor of three, while the corresponding cold gas fractions are correspondingly decreased, and a significant amount of mass is ejected from the DM halo. Nonetheless, we also find relevant differences in the predicted properties of model galaxies among the three SAMs: these deviations are more relevant at mass scales comparable to that of our own Galaxy, and are reduced at larger masses, confirming the varying impact of stellar feedback at different mass scales. We also check the effect of enhanced star formation events (i.e. starbursts modes), defined in connection with galaxy mergers. We find that, in general, these episodes have a limited impact in the overall star formation histories of model galaxies, even in massive DM halos where merger-driven star formation has often been considered very important.

研究动机与目标

• 隔离恒星形成与恒星反馈方案对半解析模型（SAMs）中星系属性的影响，独立于其他物理过程。
• 评估不同反馈与恒星形成建模选择如何影响重子物质在冷、热、喷射气体相中的分布及恒星含量。
• 评估并合驱动的星暴模式在塑造星系恒星形成历史与质量累积中的作用。
• 在相同的暗物质晕演化下，比较三种独立开发的SAMs（慕尼黑、morgana、杜伦型）的模型预测。
• 量化不同质量尺度下（尤其在银河系质量附近）星系属性对反馈模型架构的敏感性。

提出的方法

• 构建了三个SAMs（慕尼黑、morgana、杜伦型）的简化版本，仅包含气体冷却、恒星形成、SN反馈及简化的星系并合过程。
• 将这些模型应用于来自高分辨率N体模拟（Millennium与Millennium-II）提取的相同并合树，确保暗物质晕演化一致。
• 采用双模式恒星形成方案：'平静'模式（标准）与由星系并合触发的'星暴'模式（并合时间分别设为无穷大与零）。
• 追踪关键星系属性的红移演化：冷气体与热气体分数、恒星质量及喷射气体质量。
• 通过统计分析与逐对象比较，隔离反馈与恒星形成方案差异带来的影响。
• 将结果与同一模型的先前'仅冷却'版本进行对比，以隔离反馈的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同的恒星形成与超新星反馈方案如何影响暗物质晕中冷、热与喷射气体相的重子物质分布？
• RQ2 模型特定的反馈与恒星形成方案在多大程度上导致星系恒星质量与恒星形成率预测的分歧？
• RQ3 并合驱动的星暴模式对星系总恒星形成历史的贡献有多大，特别是在银河系类晕中？
• RQ4 在不同晕质量尺度下，尤其在银河系质量附近，预测的星属性如何随模型变化？
• RQ5 包含星暴模式是否能减少相同质量晕在相同红移下预测恒星质量的离散度？

主要发现

• 恒星形成与SN反馈显著增加了暗物质晕中的热气体分数，最高可达仅冷却模型的三倍，同时减少了冷气体分数。
• 杜伦型反馈方案产生最高的热气体分数，并导致冷气体最快耗尽，从而系统性地降低预测的恒星形成速率与恒星质量。
• morgana与慕尼黑模型在z ≥ 2时对银河系类晕的平均恒星形成率表现良好一致，但在低红移时出现分歧，且在z=0时恒星质量差异微小。
• 与星系并合相关的星暴模式最多使中心星系质量累积速率提高两倍，表明其对总SFR预算的整体影响有限。
• 包含并合驱动星暴可减少相同质量晕在相同红移下预测恒星质量的离散度，表明其对质量累积具有稳定作用。
• 尽管重子物质再分布趋势一致，但各模型在冷、热与喷射气体的红移演化模式上表现出独特特征，凸显预测对反馈模型架构的高度敏感性。