[论文解读] Do sub-millimeter galaxy number counts provide evidence for a top-heavy IMF?

Christopher C. Hayward, Desika Narayanan+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2010

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究结合高分辨率3D流体动力学模拟、辐射转移计算及半经验并合率模型，预测亚毫米波星系（SMG）的数量密度。结果表明，标准初始质量函数（IMF）模型无需依赖顶重的IMF即可重现观测到的SMG数量密度，挑战了以往认为高SMG数量密度与IMF变化相关的观点。

ABSTRACT

Theoretical models have had difficulty matching the observed number density of sub-millimeter galaxies (SMGs), causing some authors (e.g., Baugh et al. 2005) to suggest that SMGs provide evidence for a top-heavy initial mass function (IMF). To test this claim, we have, for the first time, combined high-resolution 3-D hydrodynamic simulations of isolated and merging massive, gas-rich galaxies, radiative transfer, and a semi-empirical merger rate model to predict the number density of SMGs. Our model can reproduce the observed SMG number density even when using a standard (Kroupa) IMF. The agreement is due to a combination of relatively long sub-mm duty cycles for mergers (a few times 10^8 years for our most massive models), which owe to our combination of high-resolution 3-D hydrodynamic simulations and dust radiative transfer; sufficient number densities of massive, gas-rich mergers; and the decrease in sub-mm counts observed by recent deep/wide surveys (e.g., Austermann et al. 2010) relative to previous surveys. Our results suggest that the observed SMG number counts do not provide evidence for a top-heavy IMF at high redshift.

研究动机与目标

• 检验观测到的亚毫米波星系（SMG）数量密度是否要求在高红移星形成星系中采用顶重的初始质量函数（IMF）
• 解决理论模型与观测之间长期存在的差异问题，即以往标准IMF模型曾低估SMG数量密度约20倍
• 通过高分辨率模拟与辐射转移方法，构建一个物理解释自洽的模型，预测SMG数量密度，而无需假设非标准IMF
• 评估在标准IMF下，是否可通过并合驱动的星暴和占有效期解释观测到的SMG数量密度，而非依赖IMF变化

提出的方法

• 使用Gadget-2对红移z ≈ 3时孤立的和并合的高质量、富含气体的盘状星系进行高分辨率3D流体动力学模拟，初始气体质量分数为80%，以确保有足够的气体储备支持星暴
• 应用Sunrise 3D自适应网格多波段蒙特卡洛尘埃辐射转移代码，计算自洽的光谱能量分布（SED），包括尘埃温度和亚毫米波通量
• 采用基于观测并合分数和星系质量函数的半经验并合率模型，估算宇宙时空中并合系统的数量密度
• 通过积分所有模拟并合阶段计算亚毫米波数量密度，排除气体质量分数>60%的快照，以避免对早期并合阶段的非物理解释性高估
• 通过对比包含和不包含亚分辨率ISM模型冷相（SH03）的结果，测试模型的鲁棒性，以评估尘埃分布与加热过程中的不确定性
• 通过与观测约束进行验证，包括SMG SED、CO谱线宽度，以及近期深空/广域亚毫米波巡天（如Austermann et al. 2010）结果，这些结果显示数量密度较早期巡天有所降低

实验结果

研究问题

• RQ1 标准（Kroupa）初始质量函数能否在不引入顶重IMF的前提下重现观测到的亚毫米波星系数密度？
• RQ2 孤立的富含气体盘状星系与并合驱动的星暴在观测SMG群体中分别贡献多大？
• RQ3 模拟并合系统的亚毫米波占有效期与观测估计相比如何？其在解决SMG数量密度差异问题中起到什么作用？
• RQ4 亚分辨率ISM结构（如冷相尘埃分布）的不确定性在多大程度上影响预测的亚毫米波通量与数量密度？
• RQ5 近期深空/广域亚毫米波巡天（显示数量密度低于早期巡天）如何影响SMG数量密度模型的解释？

主要发现

• 该模型成功使用标准IMF重现了观测到的亚毫米波星系数密度，表明无需引入顶重IMF即可解释数据
• 由于较长的亚毫米波占有效期（可达数亿年），尤其在最高质量系统中，并合对SMG群体有显著贡献，与观测估计一致
• 孤立的富含气体盘状星系对经典SMG群体的贡献可忽略不计，因为其亚毫米波发射通常低于SCUBA和AzTEC等仪器的探测阈值
• 近期深空/广域巡天（如Austermann et al. 2010）中SMG数量密度的降低，有助于调和模型预测与观测之间的差异
• 即使在排除高气体质量分数快照（气体质量分数>60%）的情况下，模型预测依然稳健，且除最高通量波段外，均与观测在1σ范围内一致
• 敏感性测试表明，若省略ISM的冷相（占尘埃质量约90%），亚毫米波通量将降低数倍，但预测的数量密度仍在不确定范围内与观测一致