[论文解读] Stochastic Star Formation & Feedback: Mapping Low-Mass Galaxies to Dark Matter Haloes

G. A. Wynn, Geraint F. Lewis+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2014

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 4被引用 6

一句话总结

该论文提出，低质量晕中由低效大质量恒星形成和气体扰动驱动的随机恒星形成与超新星反馈，可解释银河系卫星星系在暗物质亚晕中观测到的随机占有现象。通过晕组装的蒙特卡洛模型，研究表明低质量晕（$\lesssim 10^9\,M_\odot$）缺乏原子冷却，且易发生气体解离，导致星系形成停滞，其行为取决于组装历史和反馈时机。

ABSTRACT

Comparison of observed satellite galaxies of the Milky Way (hereafter MW) with dark matter subhaloes in cosmological $N$-body simulations of MW-mass haloes suggest that such subhaloes, if they exist, are occupied by satellites in a stochastic fashion. We examine how inefficient massive star formation and associated supernova feedback in high-redshift progenitors of present-day low-mass subhaloes might contribute to this stochasticity. Using a Monte Carlo approach to follow the assembly histories of present-day low-mass haloes with $10^7 \lesssim M \leq 10^{10}$ ${ m M}_{\odot}$, we identify when cooling and star formation is likely to proceed, and observe that haloes with present-day masses $\lesssim 10^9 { m M}_{\odot}$ never grow sufficiently massive to support atomic hydrogen line cooling. Noting that the star formation timescale decreases sharply with stellar mass as $t_{ m PMS} \propto m_{\ast}^{-2.5}$, we argue that, should the conditions for high mass star formation arise in low-mass haloes, the ensuing supernovae are likely to disrupt ongoing lower-mass star formation and unbind gas within the halo. This potentially star-forming gas is unlikely to be replenished in lower mass haloes because of, e.g. cosmological reionization, and so we expect galaxy formation to be stymied in a manner that depends on host halo assembly history and the efficiency and timing of star formation in proto-galaxies, which we illustrate using a Monte Carlo model. Based on these simple physical arguments, we assert that stochasticity of star formation and feedback is an essential but overlooked ingredient in modelling galaxy formation on the smallest scales.

研究动机与目标

• 通过考察低质量晕中的反馈过程，解释银河系卫星星系在暗物质亚晕中随机占有的原因。
• 研究为何低质量晕（$10^7 \lesssim M \leq 10^{10}\,M_\odot$）尽管拥有气体，却无法形成持续星系。
• 评估低效大质量恒星形成与超新星反馈如何破坏气体并中止低质量晕中的恒星形成。
• 使用蒙特卡洛方法，模拟星系形成对晕组装历史与反馈时机的依赖性。
• 主张随机反馈是建模最小尺度星系形成过程中一个关键但被忽视的因素。

提出的方法

• 采用蒙特卡洛模拟追踪现今质量为 $10^7 \lesssim M \leq 10^{10}\,M_\odot$ 的低质量晕的组装历史。
• 基于晕质量和红移建模冷却与恒星形成条件，识别原子氢冷却何时变得可行。
• 应用PMS时序关系 $t_{\text{PMS}} \propto m_*^{-2.5}$ 估算低质量恒星相对于大质量恒星的形成速度。
• 评估超新星反馈对气体解离的影响，特别是在冷却效率低的晕中。
• 评估由于宇宙再电离导致的气体补给限制，尤其在低质量系统中。
• 通过耦合反馈时机、晕历史与气体保留率，模拟星系形成的随机结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何低质量晕（$\lesssim 10^9\,M_\odot$）尽管拥有气体，却无法形成持续星系？
• RQ2 大质量恒星形成的时机与效率如何影响低质量晕中气体保留与后续恒星形成？
• RQ3 在缺乏原子氢冷却的晕中，超新星反馈在多大程度上会破坏恒星形成并解离气体？
• RQ4 星系形成的随机性在多大程度上依赖于晕的组装历史？
• RQ5 为何低质量晕中的星系形成对初始条件与反馈时机如此敏感？

主要发现

• 现今质量 $\lesssim 10^9\,M_\odot$ 的晕从未增长到足以支持原子氢线冷却的程度，从而限制其恒星形成能力。
• PMS时序的快速性（$t_{\text{PMS}} \propto m_*^{-2.5}$）意味着大质量恒星形成迅速，导致在低质量恒星稳定系统之前便触发超新星。
• 在低质量晕中，由于冷却效率低且引力势能低，超新星反馈极有可能导致气体解离并破坏正在进行的恒星形成。
• 由于宇宙再电离，低质量晕中气体补给极不可能，导致星系形成不可逆地熄灭。
• 星系形成的随机性源于晕组装历史、反馈时机与恒星形成效率之间的相互作用，而不仅仅是亚晕丰度所致。
• 随机反馈被识别为控制最小暗物质晕中星系形成的关键机制，此前长期被忽视。