[论文解读] Forward-modelling the Luminosity, Distance, and Size distributions of the Milky Way Satellites

Viraj Manwadkar, Andrey V. Kravtsov|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 201被引用 49

一句话总结

该论文使用GRUMPY正向建模框架，在Caterpillar嵌入式模拟中模拟了银河系卫星星系的亮度、距离和大小分布。该模型无需引入遗失星系模型即可成功重现DES、PS1和SDSS的观测分布，预测在300 kpc范围内有440+201−147个MV < 0且r1/2 > 10 pc的卫星星系，并表明再电离效应使低晕质量下的M★−Mpeak关系变平，从而解释了低质量晕中暗星系比例较高的原因。

ABSTRACT

We use exttt{GRUMPY}, a simple regulator-type model for dwarf galaxy formation and evolution, to forward model the dwarf galaxy satellite population of the Milky Way (MW) using the Caterpillar zoom-in simulation suite. We show that luminosity and distance distributions of the model satellites are consistent with the distributions measured in the DES, PS1 and SDSS surveys, even without including a model for the orphan galaxies. We also show that our model for dwarf galaxy sizes can simultaneously reproduce the observed {\it distribution} of stellar half-mass radii, $r_{1/2}$, of the MW satellites and the overall $r_{1/2}-M_\star$ relation exhibited by observed dwarf galaxies. The model predicts that some of the observed faint stellar systems with $r_{1/2}<10$ pc are ultra-faint dwarf galaxies. Scaling of the stellar mass $M_\star$ and peak halo mass $M_{ m peak}$ for the model satellites is not described by a power law, but has a clear flattening of $M_\star-M_{ m peak}$ scaling at $M_{ m peak}<10^8\,M_\odot$ imprinted by reionization. As a result, the fraction of low mass haloes ($M_{ m peak} < 10^8\, M_\odot$) hosting galaxies with $M_V<0$ is predicted to be 50% at $M_{ m peak} \sim 3.6 imes 10^7\,M_\odot$. We find that such high fraction at that halo mass helps to reproduce the number of dwarf galaxies discovered recently in the HSC-SSP survey. Using the model we forecast that there should be the total of $440^{+201}_{-147}$ (68\% confidence interval) MW satellites with $M_V < 0$ and $r_{1/2} > 10$ pc within 300 kpc and make specific predictions for the HSC-SSP, DELVE-WIDE and LSST surveys.

研究动机与目标

• 使用正向建模方法模拟银河系卫星星系的亮度、距离和大小分布。
• 检验一种简单的调节器类型模型（GRUMPY）是否能在不包含遗失星系模型的情况下重现DES、PS1和SDSS的观测分布。
• 研究再电离过程如何影响恒星质量-晕质量关系及由此产生的卫星星系属性。
• 预测未来巡天（如HSC-SSP、DELVE-WIDE和LSST）中可探测的卫星数量。
• 评估反馈过程在塑造星系光度函数的暗端及矮星系的大小-质量关系中的作用。

提出的方法

• 使用GRUMPY模型模拟矮星系的形成与演化，通过调节器型反馈方案将恒星质量（M★）与峰值晕质量（Mpeak）关联。
• 将该模型应用于Caterpillar嵌入式模拟套件，该套件为银河系质量宿主提供了高分辨率的暗物质和重子结构。
• 模型预测卫星的光度函数、径向距离分布以及恒星半质量半径（r1/2），并与DES、PS1和SDSS的观测数据进行比较。
• 发现当Mpeak < 10^8 M⊙时，由于再电离反馈抑制了低质量晕中的恒星形成，M★−Mpeak关系出现平坦化。
• 使用68%置信区间预测在300 kpc范围内MV < 0且r1/2 > 10 pc的卫星数量。
• 通过Vasiliev等人（2021）、Deason等人（2021）和Shen等人（2022）的质量估计施加观测约束，结果在不同银河系质量假设下均表现稳健。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个简单的调节器类型模型是否能在不引入遗失星系模型的情况下重现银河系卫星的观测亮度和距离分布？
• RQ2 再电离反馈如何在低晕质量下使M★−Mpeak关系变平？这对光度函数的暗端有何影响？
• RQ3 该模型在多大程度上能重现银河系卫星星系的恒星半质量半径（r1/2）分布及r1/2−M★关系？
• RQ4 在300 kpc范围内，预测的MV < 0且r1/2 > 10 pc的银河系卫星数量是多少？与未来巡天的预期相比如何？
• RQ5 为何低质量晕（Mpeak < 10^8 M⊙）中拥有MV < 0的星系比例如此之高（在Mpeak ∼3.6×10^7 M⊙时达50%）？这对观测到的卫星星系群有何影响？

主要发现

• GRUMPY模型在无需引入遗失星系模型的情况下，成功重现了DES、PS1和SDSS观测到的银河系卫星星系的亮度和距离分布。
• 该模型预测，在Mpeak ∼3.6×10^7 M⊙的晕中，50%的晕包含MV < 0的星系，这一高比例主要由再电离反馈抑制低质量晕中的恒星形成所导致。
• 由于再电离效应，M★−Mpeak关系在Mpeak < 10^8 M⊙时变平，这对匹配观测到的暗星系数量至关重要。
• 该模型同时成功重现了银河系卫星星系的恒星半质量半径（r1/2）观测分布以及矮星系中更广泛的r1/2−M★关系。
• 该模型预测，在300 kpc范围内，银河系卫星星系中MV < 0且r1/2 > 10 pc的总数为440+201−147，为HSC-SSP、DELVE-WIDE和LSST巡天提供了具体预测。
• 该模型将一些r1/2 < 10 pc的暗弱系统识别为极端暗淡矮星系，与它们的观测特性及早期金属贫乏恒星形成的理论预期一致。