[论文解读] Connecting Galaxies with Halos Across Cosmic Time: Stellar mass assembly distribution modeling of galaxy statistics

M. R. Becker|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Data Visualization and Analytics被引用 22

一句话总结

本文提出了一种统计模型——星体质量积聚分布（SMAD），该模型将星系星体质量的增长与宇宙时空中暗物质晕的特性联系起来。通过将SMAD在N体晕并合树上积分，并应用星族合成模型，该框架定性再现了按特定恒星形成率分组的星系双峰聚类现象，表明晕质量吸积历史的相关性可自然产生星系共形性及高阶统计特性，而无需人为假设。

ABSTRACT

In this work, I explore an empirically motivated model for investigating the relationship between galaxy stellar masses, star formation rates and their halo masses and mass accretion histories. The core statistical quantity in this model is the stellar mass assembly distribution, $P(dM_{*}/dt|\mathbf{X},a)$, which specifies the probability density distribution of stellar mass assembly rates given a set of halo properties $\mathbf{X}$ and epoch $a$. Predictions from this model are obtained by integrating the stellar mass assembly distribution (SMAD) over halo merger trees, easily obtained from modern, high-resolution $N$-body simulations. Further properties of the galaxies hosted by the halos can be obtained by post-processing the stellar mass assembly histories with stellar population synthesis models. In my particular example implementation of this model, I use the \citet{behroozi13a} constraint on the median stellar mass assembly rates of halos as a function of their mass and redshift to construct an example parameterization of $P(dM_{*}/dt|\mathbf{X},a)$. This SMAD is then integrated over individual halo mass accretion histories from $N$-body merger trees starting at z = 4, using simple rules to account for merging halos. I find that this a simple model can reproduce qualitatively the bimodal features of the low-redshift galaxy population, including the qualitative split in the two-point clustering as a function of specific star formation rate. These results indicate that models which directly couple halo and galaxy growth through simple efficiency functions can naturally predict the star formation rate bimodality in higher-order statistics of the galaxy field, such as its two-point correlations or galactic conformity signals.

研究动机与目标

• 开发一种在宇宙时空中具有统计基础且基于实证的星系-晕关联模型。
• 研究晕质量吸积历史如何影响星系星体质量积聚及观测到的聚类模式。
• 检验是否可通过将星体质量增长与晕演化简单耦合，再现观测到的双峰星系统计特性，如sSFR双峰性与星系共形性。
• 提供一种直接将SMAD参数拟合至观测数据（如聚类与强引力透镜）的框架。
• 利用SPS模型实现对星系颜色、光谱、超新星率及恒星形成率密度的预测。

提出的方法

• 将星体质量积聚分布（SMAD），$ P(dM_{*}/dt|\mathbf{X},a) $，定义为给定晕属性 $ \mathbf{X} $ 与红移 $ a $ 时星体质量增长速率的概率密度函数。
• 以Behroozi等人（2013a）的中位星体质量积聚速率作为约束，对SMAD进行参数化，假设其适用于单个晕的历史。
• 从 $ z = 4 $ 开始，将SMAD在高分辨率N体模拟的单个晕并合树上积分，通过简单规则处理晕并合过程。
• 应用具有Chabrier初始质量函数和太阳金属丰度的星族合成（FSPS）模型，将恒星形成历史转换为可观测的颜色与光谱。
• 对生成的星体质量与SFR历史进行后处理，计算星系颜色与聚类统计特性，并与SDSS模拟星表进行比较。
• 利用投影相关函数与颜色分布，将模型预测与本地星系群体统计进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过直接将星系星体质量积聚与晕质量吸积历史耦合的统计模型，再现按特定恒星形成率分组的星系双峰聚类？
• RQ2 晕质量吸积历史与大尺度环境的相关性，在多大程度上能自然解释星系共形性信号？
• RQ3 基于中位积聚速率参数化的简单SMAD模型，在多大程度上能再现低红移星系的颜色与聚类特性？
• RQ4 与观测到的SDSS数据相比，该方法在再现恒星形成序列与颜色双峰性方面存在哪些局限性？
• RQ5 该框架是否可扩展以模拟随机性、峰值后质量演化或并合诱导的星暴，从而提升与观测的一致性？

主要发现

• 该模型定性再现了星系按特定恒星形成率分组的双峰聚类，表明晕质量吸积历史的相关性可自然产生星系共形性等高阶统计特性。
• 该模型产生颜色双峰性，且在低星体质量下双峰性增强，但低质量中心星系的颜色比SDSS模拟星表偏红。
• 模型中的恒星形成序列显得过早熄灭，表明当前SMAD参数化可能低估了低质量晕中的恒星形成率。
• 该模型在所有星体质量范围内均一致产生红色卫星星系，与环境致密化效应一致。
• 该框架成功利用FSPS模型预测星系颜色与光谱，证明其在波段光度测量与超新星率建模中的实用性。
• 未来工作若能直接将SMAD参数拟合至观测到的聚类、引力透镜与红移空间畸变数据，预计可显著提升模型精度。