[论文解读] Massive disc galaxies in cosmological hydrodynamical simulations are too dark matter-dominated

Antonino Marasco, Lorenzo Posti+4 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 67被引用 7

一句话总结

本研究将EAGLE和IllustrisTNG宇宙学流体动力学模拟中的大质量盘星系与SPARC数据集中的观测H i旋转曲线进行比较。结果发现，模拟的盘星系显著比观测到的更暗物质主导，其恒星与总质量比在所有半径上均低1.5–2倍，表明由于反馈过强，导致重子物质向恒星转化效率低下，这是‘反馈失效问题’的核心表现。

ABSTRACT

We investigate the disc-halo connection in massive (Mstar/Msun>5e10) disc galaxies from the cosmological hydrodynamical simulations EAGLE and IllustrisTNG, and compare it with that inferred from the study of HI rotation curves in nearby massive spirals from the Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) dataset. We find that discrepancies between the the simulated and observed discs arise both on global and on local scales. Globally, the simulated discs inhabit halos that are a factor ~4 (in EAGLE) and ~2 (in IllustrisTNG) more massive than those derived from the rotation curve analysis of the observed dataset. We also use synthetic rotation curves of the simulated discs to demonstrate that the recovery of the halo masses from rotation curves are not systematically biased. We find that the simulations predict dark-matter dominated systems with stellar-to-total enclosed mass ratios that are a factor of 1.5-2 smaller than real galaxies at all radii. This is an alternative manifestation of the `failed feedback problem', since it indicates that simulated halos hosting massive discs have been too inefficient at converting their baryons into stars, possibly due to an overly efficient stellar and/or AGN feedback implementation.

研究动机与目标

• 研究宇宙学流体动力学模拟中大质量盘星系（$M_\star > 5 \times 10^{10}\,M_\odot$）的盘-晕关系。
• 将模拟的旋转曲线和晕质量与SPARC数据集中从观测H i旋转曲线推断出的结果进行比较。
• 确定模拟与观测之间的差异是否源于旋转曲线恢复中的系统性偏差，或源于模型本身的内在缺陷。
• 评估模拟中反馈实现是否过于高效，导致恒星形成被抑制并形成过质量的暗物质晕。
• 评估当前ΛCDM模拟是否能再现大质量旋涡星系中观测到的单调恒星-晕质量关系（SHMR）

提出的方法

• 利用宇宙学流体动力学模拟EAGLE和IllustrisTNG，在$z=0$时提取大质量盘星系的属性。
• 从模拟星系构建合成H i旋转曲线，以与SPARC数据集中的观测旋转曲线进行比较。
• 对SPARC观测旋转曲线进行质量分解，以推导出恒星质量、气体质量和总动力学质量及晕质量。
• 在不同径向尺度上比较模拟与观测盘星系的恒星与总质量比（$M_\star/M_{\rm dyn}$）分布。
• 通过比较模拟得到的$M_{\rm halo}$与从旋转曲线推断出的$M_{\rm halo}$，量化晕质量的全局差异。
• 评估旋转曲线恢复中的偏差是否可解释观测到的差异，发现模拟中不存在显著的系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 EAGLE和IllustrisTNG模拟中的大质量盘星系的晕质量是否与SPARC数据集中从观测H i旋转曲线推断出的值一致？
• RQ2 模拟的盘星系是否比观测到的大质量旋涡星系更暗物质主导？若是，程度如何？
• RQ3 模拟盘星系中恒星与总质量比的差异是源于旋转曲线建模中的偏差，还是源于反馈物理模型的物理缺陷？
• RQ4 观测到的大质量旋涡星系中单调的恒星-晕质量关系在多大程度上挑战了当前ΛCDM流体动力学模拟的预测？
• RQ5 模拟中观测到的盘结构与晕质量的不匹配是否可由模拟中反馈实现过强来解释？

主要发现

• 在EAGLE中，模拟的大质量盘星系所在的晕质量约为SPARC旋转曲线推断值的四倍。
• 在IllustrisTNG中，模拟晕质量约为从观测旋转曲线推导出的值的两倍。
• 在所有半径上，模拟盘星系的恒星与总质量比（$M_\star/M_{\rm dyn}$）比观测到的大质量旋涡星系低1.5–2倍。
• 晕质量与质量比的差异并非源于旋转曲线恢复的系统性偏差，因为模拟生成的合成旋转曲线能准确再现观测轮廓。
• 这种不匹配指向模拟中反馈实现过强，导致重子物质向恒星转化效率低下，从而形成过质量的暗物质晕。
• 这些发现是‘反馈失效问题’的局部表现，即反馈未能有效抑制大质量晕中的恒星形成，导致系统过于暗物质主导。