[论文解读] Massive Dark Matter Halos at High Redshift: Implications for Observations in the JWST Era

Yangyao Chen, H. J. Mo+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本文通过展示宇宙方差、恒星质量不确定性以及回溅效应共同使累积恒星质量密度提升一个以上数量级，解决了观测到的高红移大质量星系与ΛCDM模型之间的矛盾。当所有不确定性因素都被建模后，观测到的高质​​量端密度落在ΛCDM预测的2σ范围内，且这些星系的后代被预测将存在于z=0时的大质量晕中，而本地星系团中心的古老恒星则追溯了它们的起源。

ABSTRACT

The presence of massive galaxies at high $z$ as recently observed by JWST appears to contradict the current $Λ$CDM cosmology. Here we aim to alleviate this tension by incorporating uncertainties from three sources in counting galaxies: cosmic variance, error in stellar mass estimation, and backsplash enhancement. Each of these factors significantly increases the cumulative stellar mass density $ρ_*(>M_*)$ at the high-mass end, and their combined effect can boost the density by more than one order of magnitude. Assuming a star formation efficiency of $ε_* \sim 0.5$, cosmic variance alone reduces the tension to a $2σ$ level, except for the most massive galaxy at $z=8$. Additionally, incorporating a 0.3 dex lognormal dispersion in the stellar mass estimation brings the observed $ρ_*(>M_*)$ at $z \sim 7 - 10$ within $2σ$. The tension is completely eliminated when we account for the gas stripped from backsplash halos. These results highlight the importance of fully modeling uncertainties when interpreting observational data of rare objects. We use the constrained simulation, ELUCID, to investigate the descendants of high-$z$ massive galaxies. Our findings reveal that a significant portion of these galaxies ultimately reside in massive halos at $z=0$ with $M_{ m halo} > 10^{13} h^{-1}M_\odot$. Moreover, a large fraction of local central galaxies in $M_{ m halo} \geqslant 10^{14.5} h^{-1}M_\odot$ halos are predicted to contain substantial amounts of ancient stars formed in massive galaxies at $z \sim 8$. This prediction can be tested by studying the structure and stellar population of central galaxies in present-day massive clusters.

研究动机与目标

• 解决观测到的高红移大质量星系（z≈7–10）与ΛCDM模型预测之间的张力。
• 量化三个关键不确定性因素——宇宙方差、恒星质量估算误差和回溅增强——对累积恒星质量密度的影响。
• 评估这些不确定性是否足以在不引入新物理的前提下调和观测到的高质​​量星系数与ΛCDM模型之间的矛盾。
• 利用约束模拟ELUCID预测高红移大质量星系在z=0时的归宿。
• 基于高红移祖先星系，为本地大质量星系团中心的恒星种群提供可检验的预测。

提出的方法

• 使用约束模拟ELUCID重建真实宇宙的大尺度结构和晕的形成历史，从而实现对宇宙方差的现实建模。
• 通过引入恒星质量估算中0.3 dex的对数正态分布偏差，量化高红移时的累积恒星质量密度ρ*(>M*)，以反映测量不确定性。
• 通过追踪那些被吸积进入大质量晕但在暗物质晕被剥离后仍保留显著恒星质量的星系，对回溅效应进行建模。
• 将三种不确定性（宇宙方差、质量误差、回溅）合并，计算z≈7–10时ρ*(>M*)的总增强量。
• 追踪高红移大质量星系的后代，以确定其在z=0时的最终位置和晕质量。
• 利用ELUCID重建结果的后验分布，对可能的晕形成历史集合进行采样，以考虑解的非唯一性。

实验结果

研究问题

• RQ1 宇宙方差单独能在多大程度上缓解观测到的高红移大质量星系与ΛCDM预测之间的张力？
• RQ2 恒星质量估算中0.3 dex的不确定性如何影响观测到的ρ*(>M*)与ΛCDM的一致性？
• RQ3 回溅效应（星系失去暗物质但保留恒星质量）是否能解释高红移处观测到的高恒星质量密度？
• RQ4 在现今质量大于等于10^14.5 h⁻¹ M☉的星系晕中，有多少比例的中心星系起源于z≈8时的大质量星系？
• RQ5 本地星系团中心存在古老恒星，能否作为高红移大质量星系祖先的检验依据？

主要发现

• 仅考虑宇宙方差时，观测到的ρ*(>M*)与预测值之间的张力可降至2σ以内，但z=8时最重的星系除外。
• 引入0.3 dex的对数正态分布偏差于恒星质量估算后，观测到的z≈7–10时ρ*(>M*)与ΛCDM预测在2σ范围内达成一致。
• 当三种不确定性——宇宙方差、质量误差和回溅效应——全部合并时，高红移处的累积恒星质量密度提升了一个以上数量级。
• 当引入回溅效应后，观测与ΛCDM之间的张力被完全消除，因为这些效应增强了观测到的恒星质量密度，而无需引入新物理。
• 大量在z≈8时质量≥10^10 h⁻¹ M☉的高红移大质量星系，其后裔最终演化为z=0时质量大于10^13 h⁻¹ M☉的大质量晕。
• 在质量≥10^14.5 h⁻¹ M☉的本地星系晕中，大量中心星系被预测含有大量源自z≈8祖先星系的古老恒星，为未来JWST巡天提供了可检验的预测。