[论文解读] Populating HI gas in dark matter halos: I. method

Yi Lu, Xiaohu Yang+5 more|ArXiv.org|Aug 22, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于晕的模型，通过结合星系属性（恒星质量、g−r颜色）与晕质量相关的HI气体保留效率，预测暗物质晕中HI气体含量。该模型成功再现了观测到的HI探测率、总HI质量及卫星分数，优于仅基于星系的模型，后者在大质量晕中探测数的预测值高出近两倍。

ABSTRACT

We combine data from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS) and the Arecibo Legacy Fast ALFA Survey (ALFALFA) to establish an empirical model for the HI gas content within dark matter halos. A cross-match between our SDSS DR7 galaxy group sample and the ALFALFA HI sources provides a catalog of 16,520 HI-galaxy pairs within 14,270 galaxy groups (halos). Using these matched pairs, we model the HI gas mass distributions within halos using two components: 1) {\it in situ} galaxy relations that involve the HI masses, colors $({ m g-r})$ and stellar masses 2) an {\it ex situ} dependence of the HI mass on the halo mass/environment. We find that if we solely use galaxy associated scaling relations to predict the HI gas distribution (solely component 1), the number of HI detections is significantly over-predicted with respect the ALFALFA observations. We introduce a concept for the survival of the HI masses/members within halos of different masses labelled as the `efficiency' factor, in order to describe the probability that a halo has in retaining its HI detections. Taking the above consideration into account we construct a `halo based HI mass model' which does not only predict the HI masses of galaxies, but also yields similar number, stellar, halo mass and satellite fraction distributions to the HI detections retrieved from observational data.

研究动机与目标

• 建立一个统计模型，将HI气体含量与星系属性及宿主晕环境联系起来。
• 解决仅依赖星系关系时对HI探测数的过度预测问题。
• 量化晕质量增加（特别是log Mh ≥ 12.0）时对HI气体的抑制效应。
• 为未来如FAST和SKA的HI巡天开发一个基于SDSS和ALFALFA实测约束的预测框架。

提出的方法

• 将ALFALFA的16,520对HI-星系配对与SDSS DR7星系群进行交叉匹配，构建包含14,270个星系群的晕分辨数据集。
• 基于恒星质量与g−r颜色，开发了一种以星系为中心的HI质量估算器（模型1），HI质量预测的离散度σ ≈ 0.25。
• 发现当将模型1应用于完整SDSS星表时，尤其在大质量晕中，HI探测数存在显著高估。
• 引入“HI气体保留效率”因子，以建模不同质量晕中保留HI气体的概率。
• 构建了结合星系内禀关系与晕质量外禀依赖的晕基模型（模型2），以抑制过度预测。
• 通过模拟星表验证模型，并与ALFALFA的α.100星表在数量计数、HI质量函数及卫星分数方面进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何仅基于星系的HI质量估算器在大质量晕中会显著高估HI探测数，而ALFALFA观测结果则显示探测数较少？
• RQ2 随着晕质量增加（特别是log Mh ≥ 11.0），星系群中总HI质量如何演化？
• RQ3 晕质量与环境在星系群中对HI气体的抑制或保留起何作用？
• RQ4 结合星系内禀关系与晕外禀依赖的混合模型能否准确再现观测到的HI统计特征？
• RQ5 在观测数据中，HI探测星系的卫星分数如何随晕质量和恒星质量变化？

主要发现

• 仅基于星系属性（恒星质量与g−r颜色）的模型1在log Mh ≥ 12.0的晕中显著高估了HI探测数。
• 当晕质量log Mh ≥ 11.0时，星系群中的总HI质量基本保持不变，表明大质量晕中存在饱和或抑制效应。
• 引入依赖于晕质量的“HI气体保留效率”因子，成功抑制了过度预测，使模型结果与ALFALFA观测一致。
• 模型2（晕基估算器）在不同晕质量区间内，均能高保真度地再现观测到的HI探测数、总HI质量分布及卫星分数。
• 模型2生成的模拟星表在数量计数、HI质量函数及卫星分数方面与α.100星表高度一致，而模型1则在大质量星系群中出现显著过剩。
• 该模型在多个统计指标上均得到验证，适用于未来FAST与SKA等HI巡天的HI含量预测。