[论文解读] Imprints of the cosmic void evolution on the baryon processes inside galaxy haloes

Agustín M. Rodríguez-Medrano, Dante J. Paz+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 27, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 55被引用 9

一句话总结

本研究利用高分辨率流体动力学聚焦模拟，探究宇宙空洞的大尺度动力学状态——膨胀型（R型）与收缩型（S型）——如何影响星系晕内的重子过程。研究发现，膨胀空洞中的晕形成更缓慢，重子质量和恒星质量更低，气体凝聚与热气体比例也更低，表明空洞的动力学通过环境反馈机制调控晕的演化。

ABSTRACT

Cosmic voids provide a unique environment to study galaxy formation and evolution. In this paper, we analyse a set of hydrodynamic zoom-in simulations of voids, to analyse in detail their inner structures. These voids were identified in a cosmological simulation and classified according to their surrounding dynamics at very large scales: whether they are in expansion or contraction at their outskirts. We study how these environments and the dynamics of voids impact the baryonic processes inside haloes and their mechanisms of formation and evolution. We find an under-abundance of processed gas within the voids that can be associated with the lack of massive haloes. By studying the dynamical phase-space diagram of haloes and the halo-particle correlation function, we find that haloes inside of contracting voids are slightly affected by the presence of bigger structures, in comparison to haloes in the inner regions of expanding voids. Consistent signals are obtained both when using dark matter and gas particles. We show that the halo assembly depends on the void dynamical state: haloes in expanding voids assemble slowly than those in contracting voids and in the general universe. This difference in the assembly impacts the baryonic evolution of haloes. Overall the redshift range analysed, haloes in voids have less baryon content than haloes in the general universe and particularly at z = 0 less stellar content. Our results suggest that the large scale void environment modulate the baryonic process occurring inside haloes according to the void dynamical state.

研究动机与目标

• 探究宇宙空洞的大尺度动力学状态如何影响其内部星系晕中的重子过程。
• 确定处于膨胀（R型）或收缩（S型）状态的空洞是否会导致晕形成、气体演化及恒星形成效率的差异。
• 利用高分辨率流体动力学模拟，评估空洞动力学对晕组装历史、重子分数及气体相分布的影响。
• 将空洞中的晕属性与宇宙网整体环境中的晕进行比较，分离出空洞环境与动力学的独立作用。

提出的方法

• 开展大规模仅含暗物质的宇宙学模拟（500 h⁻¹ Mpc 箱体，512³ 粒子），以识别空洞及其大尺度周围环境。
• 基于密度对比剖面，依据动力学分类选取空洞：R型（膨胀的壁面，低密度周围）与S型（收缩的壁面，高密度周围）。
• 对选定的空洞区域执行高分辨率流体动力学聚焦模拟，以在高空间和质量分辨率下解析内部晕与气体结构。
• 利用合并树与相空间图追踪晕的形成与演化，分析其动力学状态与吸积历史。
• 分析气体相分数（凝聚态、热态、处理态）与恒星质量演化随红移的变化，比较R型与S型空洞及一般宇宙参考样本。
• 使用 GIZMO 代码，结合自适应网格细化与光滑粒子流体动力学（SPH），在 ΛCDM 宇宙学框架下模拟引力、流体动力学与恒星形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙空洞的大尺度动力学状态（膨胀 vs. 收缩）如何影响星系晕的组装历史？
• RQ2 R型与S型空洞中晕的重子含量、气体相分数及恒星质量有何差异？
• RQ3 与一般宇宙网相比，空洞环境在多大程度上调节恒星形成效率与气体凝聚？
• RQ4 晕的组装时间与空洞类型及红移之间的相关性如何？这对重子演化有何启示？
• RQ5 观测到的晕属性差异是由大尺度结构动力学引起，还是仅由局部密度决定？

主要发现

• 在R型（膨胀）空洞中的晕比S型（收缩）空洞及一般宇宙中的晕组装更缓慢，在红移 z < 1.2 时质量增长存在显著延迟。
• 在 z = 0 时，空洞中的晕在固定晕质量下恒星质量比一般宇宙中的晕约低10%，且在R型空洞中这一差异最为明显。
• R型空洞晕的重子分数较低，凝聚气体分数也较低，表明气体凝聚与恒星形成效率受到抑制。
• R型空洞中的热气体分数略高，而S型空洞中更高，表明其吸积机制差异与大尺度结构动力学相关。
• 在高红移（z > 0.75）时，空洞与一般宇宙中晕的恒星质量差异减小，但趋势显示在 z ~ 0.4 时，R型空洞晕的恒星质量略高。
• 晕粒子关联函数与相空间图显示S型空洞中存在更强的大尺度流信号，表明周围高密度结构的影响更显著。