[论文解读] Abundance matching with the mean star formation rate: there is no missing satellites problem in the Milky Way

Justin I. Read, Denis Erkal|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新颖的丰度匹配技术，使用平均恒星形成率（⟨mSFR⟩）而非恒星质量来估算银河系卫星的吸积前晕质量（M₂₀₀）。通过利用SDSS、GAMA和Bolshoi数据校准⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系，研究发现经验估算的晕质量与动力学晕质量高度一致，并表明当在模拟中考虑亚晕耗竭时，银河系中M₂₀₀ ≈ 10⁹ M☉以上的子晕不存在缺失卫星问题。

ABSTRACT

We introduce a novel abundance matching technique that produces a more accurate estimate of the pre-infall halo mass, $M_{200}$, for satellite galaxies. To achieve this, we abundance match with the mean star formation rate, averaged over the time when a galaxy was forming stars, $\langle { m SFR} angle$, instead of the stellar mass, $M_*$. Using data from the Sloan Digital Sky Survey, the GAMA survey and the Bolshoi simulation, we obtain a statistical $\langle { m SFR} angle-{ m M}_{200}$ relation in $\Lambda{ m CDM}$. We then compare the pre-infall halo mass, $M^{ m abund}_{200}$, derived from this relation with the pre-infall dynamical mass, $M^{ m dyn}_{200}$, for 21 nearby dSph and dIrr galaxies, finding a good agreement between the two. As a first application, we use our new $\langle { m SFR} angle-{ m M}_{200}$ relation to empirically measure the cumulative mass function of a volume-complete sample of bright Milky Way satellites within 280 kpc of the Galactic centre. Comparing this with a suite of cosmological 'zoom' simulations of Milky Way-mass halos that account for subhalo depletion by the Milky Way disc, we find no missing satellites problem above $M_{200} \sim 10^9\,{ m M}_\odot$ in the Milky Way. We discuss how this empirical method can be applied to a larger sample of nearby spiral galaxies.

研究动机与目标

• 通过改进卫星星系吸积前晕质量估算的准确性，解决银河系中长期存在的缺失卫星问题。
• 克服传统基于恒星质量的丰度匹配方法的局限性，引入平均恒星形成率（⟨mSFR⟩）作为晕质量更可靠的代理指标。
• 利用观测数据和宇宙学模拟，在ΛCDM框架下对⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系进行经验校准。
• 检验当在模拟中正确建模银河系盘对亚晕的耗竭作用时，观测到的银河系卫星数量是否与宇宙学模拟的预测相符。
• 提供一种可迁移的方法，适用于研究其他近邻旋涡星系的卫星系统及其晕质量函数。

提出的方法

• 开发一种新的丰度匹配技术，将星系与暗物质晕的关联不再基于恒星质量（M_*），而是基于其在整个恒星形成寿命期间的平均恒星形成率（⟨mSFR⟩）。
• 利用斯隆数字巡天（SDSS）和GAMA巡天的观测数据，测量21个近邻矮椭圆星系（dSph）和矮不规则星系（dIrr）的⟨mSFR⟩。
• 使用Bolshoi宇宙学模拟校准⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系，该模拟为晕属性提供了基于ΛCDM的理论框架。
• 从⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系推导出吸积前晕质量（M²⁰⁰_abund），并与基于运动学数据的动力学质量（M²⁰⁰_dyn）进行比较。
• 利用经验校准的⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系，构建银河系亮卫星在280 kpc范围内的累积质量函数。
• 将观测到的质量函数与包含银河系盘对亚晕耗竭效应的“聚焦”模拟结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在丰度匹配中使用平均恒星形成率（⟨mSFR⟩）而非恒星质量，是否能更准确地估算银河系卫星的吸积前晕质量？
• RQ2 从⟨mSFR⟩推导出的经验晕质量与基于运动学测量的动力学质量之间是否存在统计上显著的差异？
• RQ3 当在模拟中考虑银河系盘对亚晕的耗竭作用时，观测到的银河系卫星数量是否与宇宙学模拟的预测相符？
• RQ4 基于新⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系推导出的银河系亮卫星累积质量函数是什么？
• RQ5 该经验方法是否可推广至其他近邻旋涡星系，以研究其卫星系统？

主要发现

• 基于SDSS、GAMA和Bolshoi数据推导出的⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系，为估算吸积前晕质量提供了一种稳健且精确的方法。
• 对于21个dSph和dIrr星系，基于⟨mSFR⟩推导出的经验晕质量（M²⁰⁰_abund）与动力学晕质量（M²⁰⁰_dyn）高度一致。
• 当在模拟中考虑银河系盘对亚晕的耗竭作用时，观测到的亮卫星数量（M₂₀₀ ≥ 10⁹ M☉）与预测数量一致，从而解决了缺失卫星问题。
• 在包含亚晕耗竭效应的前提下，基于新方法推导出的银河系卫星在280 kpc范围内的累积质量函数与ΛCDM预期一致。
• 经验校准的⟨mSFR⟩–M₂₀₀关系为研究其他近邻旋涡星系的卫星系统提供了一种可行且可迁移的方法。
• 本研究表明，缺失卫星问题并非ΛCDM理论的根本性失败，而是源于晕质量估算不准确以及忽略了亚晕耗竭效应。