[论文解读] Gas and Metal Contents of Galaxies and Gaseous Halos: Preventive versus Ejective Feedback

Yu Lu, H. J. Mo+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 8, 2015

Spectroscopy and Laser Applications被引用 5

一句话总结

本研究采用半解析框架，比较了星系形成中喷射式与预防性反馈模型的预测，评估其在星系及气体晕中对重子质量与金属度的预测。结果表明，仅预防性反馈模型能成功匹配多项观测约束，尤其是气相金属度与质量分数；而喷射式模型无法同时调和高气体分数与低金属度，表明在低质量星系中反馈主要为预防性作用。

ABSTRACT

Using a semi-analytical approach we investigate the characteristics of predictions for the masses and metallicities of the baryonic matter in and around galaxies made by three galaxy formation models. These models represent three different feedback scenarios: one model with purely ejective feedback, one model with ejective feedback with reincorporation of ejected gas, and one preventative model. We find that, when the model parameters are adjusted to predict the correct stellar masses for a range of halo masses between 10^{10} to 10^{12}Msun, these three scenarios have very different predictions for the masses and metallicities of the interstellar and circum-galactic media. Compared with current observational data, the model implementing preventative feedback has a large freedom to match a broad range of observational data, while the ejective models have difficulties to match a number of observational constraints simultaneously, independent of how the ejection and reincorporation are implemented. Our results suggest that the feedback process which regulates the amounts of stars and cold gas in low-mass galaxies is preventative in nature.

研究动机与目标

• 测试喷射式与预防性反馈中哪一种更能解释星系及其气态晕中观测到的重子质量与金属度分布。
• 评估喷射式反馈模型（含与不含气体再循环）在恒星质量、气体质量与金属度等观测约束下的可行性。
• 确定当前观测数据是否能够区分星系形成中不同的反馈机制。
• 评估不同反馈情景是否能再现观测到的恒星与气体相金属度关系。

提出的方法

• 采用卢等人（2015）提出的半解析星系形成模型作为基准框架。
• 仅系统性地改变反馈方案，对比三种模型：纯喷射、喷射加气体再循环、预防性反馈。
• 调节模型参数，使其在 10^10 至 10^12 M_sun 的晕质量范围内与观测的恒星质量-晕质量关系一致。
• 计算每种模型在恒星、星际介质（ISM）与星系周围介质（CGM）中的重子质量分数与金属度。
• 将模型预测与观测数据进行对比，包括 COS-Halos 巡天、恒星质量-金属度关系以及气相金属度趋势。
• 采用 ΛCDM 宇宙学模型，标准参数为 (Ω_M,0=0.27, h=0.70, σ8=0.82)，模拟从 z=2 至现在的星系演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷射式反馈模型（无论是否包含气体再循环）能否同时再现星系中观测到的恒星质量、气体质量与气相金属度？
• RQ2 不同反馈机制如何影响恒星、ISM 与气态晕的预测金属度演化？
• RQ3 在喷射式模型中引入气体再循环是否能解决与观测数据的不一致？
• RQ4 预防性反馈模型通过抑制低质量晕中重子塌缩，能否成功匹配不同相中观测到的重子质量与金属度分布？
• RQ5 观测到的气相金属度-恒星质量关系对区分喷射式与预防性反馈有何启示？

主要发现

• 无论是否包含气体再循环，喷射式反馈模型均无法同时匹配观测到的气体质量分数与气相金属度，尤其在银河系大小的星系中表现不佳。
• 即使采用高质量载荷因子，喷射式模型仍预测气相金属度过低；进一步增强喷流强度反而降低金属度，使偏差加剧。
• 喷射式模型预测的气相金属度-恒星质量关系从 z=2 至现在几乎保持不变，与观测中显示的金属度趋势强烈演化相矛盾。
• 包含快速气体再循环的喷射式模型过度高估了气态晕中的金属质量，与 COS-Halos 巡天对晕金属度的约束相悖。
• 预防性反馈模型成功匹配了观测到的恒星与冷气体质量分数、盘状星系的尺寸以及不同晕质量下的恒星形成历史。
• 预防性模型唯一的不一致之处是高估了低质量星系恒星组分中的金属质量，这可能通过考虑 ISM 金属度的非均匀性或 z=2 之前早期恒星形成来解决。