[论文解读] Sub-mm Galaxies In Cosmological Simulations

MA Fardal, Neal Katz+3 more|ScholarWorks@UMassAmherst (University of Massachusetts Amherst)|Jan 1, 2001

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 2被引用 6

一句话总结

该论文在 $Λ$CDM 宇宙学框架下利用宇宙学流体动力学模拟来建模亚毫米波星系，假设尘埃将星光再辐射至亚毫米波段。结果表明，在合理的尘埃温度（$T=35$ K）和发射率（$\beta=1.0$）条件下，模拟得到的源数密度与高于 1 mJy 的 SCUBA 巡天观测结果一致，中值红移 $z \approx 2$，并预测了相对于总辐射光度而言较高的 850 µm 光度，这是可检验的关键特征。

ABSTRACT

We study the predicted sub-mm emission from massive galaxies in a Lambda-CDM universe, using hydrodynamic cosmological simulations. Assuming that most of the emission from newly formed stars is absorbed and reradiated in the rest-frame far-IR, we calculate the number of galaxies that would be detected in sub-mm surveys conducted with SCUBA. The predicted number counts are strongly dependent on the assumed dust temperature and emissivity law. With plausible choices for SED parameters (e.g., T=35 K, beta=1.0), the simulation predictions reproduce the observed number counts above ~ 1 mJy. The sources have a broad redshift distribution with median z ~ 2, in reasonable agreement with observational constraints. However, the predicted count distribution may be too steep at the faint end, and the fraction of low redshift objects may be larger than observed. In this physical model of the sub-mm galaxy population, the objects detected in existing surveys consist mainly of massive galaxies (several M_*) forming stars fairly steadily over timescales ~ 10^8-10^9 years, at moderate rates ~100 Msun/yr. The typical descendants of these sub-mm sources are even more massive galaxies, with old stellar populations, found primarily in dense environments. While the resolution of our simulations is not sufficient to determine galaxy morphologies, these properties support the proposed identification of sub-mm sources with massive ellipticals in the process of formation. The most robust and distinctive prediction of this model, stemming directly from the long timescale and correspondingly moderate rate of star formation, is that the far-IR SEDs of SCUBA sources have a relative high 850 micron luminosity for a given bolometric luminosity. [Abridged]

研究动机与目标

• 在物理上合理的宇宙学模拟框架下，对亚毫米波星系群体进行建模。
• 检验在 $Λ$CDM 模型中，通过真实尘埃再辐射过程是否能够重现 SCUBA 检测到的亚毫米波星系的源数密度和红移分布。
• 识别关于远红外 SED、聚类特性及亚毫米波源演化后代的稳健、可检验的预测。
• 评估在大质量星系中持续、中等速率的恒星形成作为亚毫米波发射起源的作用，而非短暂爆发。
• 为亚毫米波源提供一种基于物理机制的替代于现象学模型的理论框架。

提出的方法

• 在 $Λ$CDM 宇宙学中对大体积进行中等质量分辨率的流体动力学宇宙学模拟。
• 通过恒星形成、反馈以及将紫外/光学光辐射再处理为远红外光，追踪星系的形成与演化。
• 假设新形成的星光全部被吸收并在静止系远红外波段重新辐射，采用参数为 $T=35$ K 和 $\beta=1.0$ 的修正黑体 SED 计算亚毫米波通量。
• 通过红移和光度积分计算源数密度，并与观测的 SCUBA 巡天数据进行比较。
• 该模型假设亚毫米波源在 $10^8$–$10^9$ 年间保持恒定的恒星形成率。
• 分析聚类特性与红移空间分布，以检验对源环境和红移分布的观测约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $Λ$CDM 宇宙学中，基于物理动机的星系形成模型能否重现高于 1 mJy 的亚毫米波星源数密度？
• RQ2 模拟的亚毫米波源的典型红移分布是什么？与观测约束相比如何？
• RQ3 该模型预测的亚毫米波源在 SED 上的关键特征是什么，特别是 850 µm 波段？
• RQ4 亚毫米波源的恒星形成历史与形态学特性如何与其演化后代相关联？
• RQ5 亚毫米波星系在红移空间和角度空间中的聚类特性是什么？与莱曼断裂星系有何不同？

主要发现

• 在合理的尘埃参数（$T=35$ K，$\beta=1.0$）下，模拟的源数密度与高于 1 mJy 的观测结果一致。
• 模拟的亚毫米波源中值红移为 $z \approx 2$，与当前的观测约束一致。
• 该模型预测的暗端源数密度比观测结果更陡，表明可能过度产生了暗弱源。
• 模拟中低红移亚毫米波源的比例高于观测值，表明可能高估了低红移发射。
• 亚毫米波源主要为大质量星系（$\gtrsim 10^{11} M_\odot$），在 $10^8$–$10^9$ 年间具有约 $100\,M_\odot\,\mathrm{yr}^{-1}$ 的稳定恒星形成率。
• 最具特色的预测是：在给定总辐射光度下，850 µm 光度相对较高，可通过 SED 测量进行检验。