[论文解读] Missing Halo Baryons and Galactic Outflows

Romeel Davé|ArXiv.org|Jan 20, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 3被引用 7

一句话总结

该论文利用受约束的动量驱动外流模型进行宇宙学流体动力学模拟，表明星系外流通过早期喷射重子物质，解释了低质量星系中缺失的晕重子问题，使银河系尺度星系晕中的重子分数降至宇宙平均值的约60%。关键结果是，外流物质在低质量星系中回流速度较慢的差异性回收机制，抑制了小星系的恒星形成效率，从而调和了模拟与观测的星系晕和恒星质量函数之间的差异。

ABSTRACT

We present predictions for galactic halo baryon fractions from cosmological hydrodynamic simulations with a well-constrained model for galactic outflows. Without outflows, halos contain roughly the cosmic fraction of baryons, slightly lowered at high masses owing to pressure support from hot gas. The star formation efficiency is large and increases monotonically to low masses, in disagreement with data. With outflows, the baryon fraction is increasingly suppressed in halos to lower masses. A Milky Way-sized halo at z=0 has about 60% of the cosmic fraction of baryons, so "missing" halo baryons have largely been evacuated, rather than existing in some hidden form. Large halos (>10^13 Mo) contain 85% of their cosmic share of baryons, which explains the mild missing baryon problem seen in clusters. By comparing results at z=3 and z=0, we show that most of the baryon removal occurs at early epochs in larger halos, while smaller halos lose baryons more recently. Star formation efficiency is maximized in halos of ~10^13 Mo, dropping significantly to lower masses, which helps reconcile the sub-L* slope of the observed stellar and halo mass functions. These trends are predominantly driven by differential wind recycling, namely, that wind material takes longer to return to low-mass galaxies than high-mass galaxies. The hot gas content of halos is mostly unaffected by outflows, showing that outflows tend to blow holes and escape rather than deposit their energy into halo gas.

研究动机与目标

• 通过检验星系外流是否能解释星系晕中观测到的重子匮乏问题，以解决缺失晕重子问题。
• 研究外流如何影响不同星系晕质量和红移下的晕重子分数。
• 确定外流是否能调和观测到的恒星质量函数与星系晕质量函数，特别是子-星等星系的陡度问题。
• 评估差异性外流回收在塑造重子含量和恒星形成效率中的作用。
• 评估外流是否显著加热或富集热晕气体，或是否主要以最小能量沉积的方式逃逸。

提出的方法

• 采用改进的Gadget-2代码进行宇宙学流体动力学模拟，使用受IGM富集、金属丰度关系和光度函数约束的动量驱动外流模型。
• 模拟采用WMAP3一致的宇宙学参数，设置两个盒尺寸（32和64 h⁻¹ Mpc），粒子数为2×256³以实现高动态范围。
• 星系晕的识别采用球对称密度超额算法，星系晕质量高于暗物质和气体粒子质量的128倍时被解析。
• 外流建模为动量驱动，能量和金属注入参数经调整以匹配z ≈ 2–4时的观测数据，包括O VI和O VII吸收线。
• 重子分数相对于宇宙平均值计算，区分恒星、冷气体（T < 10⁴.⁵ K）和热气体（T > 10⁴.⁵ K）的贡献。
• 通过比较z = 0和z = 3时的星系晕重子分数，追踪质量损失和外流回收 timescales 的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 星系外流在多大程度上解释了星系晕中观测到的重子匮乏，特别是在低质量系统中？
• RQ2 低质量与高质量星系晕中重子喷射的时间有何差异？外流回收在其中扮演何种角色？
• RQ3 为何恒星形成效率在~10¹².⁵–13 M⊙星系晕中达到峰值，外流如何塑造这一峰值？
• RQ4 外流是否显著加热或富集热晕气体，还是主要以最小能量沉积方式逃逸？
• RQ5 动量驱动外流模型在多大程度上重现了观测到的星系晕重子分数及其演化？

主要发现

• 在z = 0时，银河系尺度星系晕仅保有约60%的宇宙重子分数，表明大部分缺失的晕重子已被喷射出去，而非隐藏在可观测相中。
• 低质量星系晕（10¹⁰.⁵ M⊙）因外流损失约60%的重子，而10¹² M⊙星系晕损失约40%，其中小质量星系晕的抑制最强，归因于外流回收的延迟。
• 恒星形成效率在~10¹².⁵–13 M⊙星系晕中达到峰值，并随质量减小而下降，这有助于调和模拟与观测中恒星质量函数在暗端的浅斜率。
• 外流并未显著增加星系晕中热气体的分数；相反，它们以最小能量沉积方式逃逸，解释了旋涡星系周围缺乏强X射线晕的原因。
• 大质量星系晕（Mh > 10¹³ M⊙）保留约85%的宇宙重子分数，与星系团中观测到的温和重子缺失问题一致。
• 大多数重子喷射发生在大质量星系晕的早期（z ≈ 3），而低质量星系晕则因外流回收时间更长，重子损失发生得更晚。