[论文解读] The galaxy size to halo spin relation of disk galaxies in cosmological hydrodynamical simulations

Hang Yang, Liang Gao+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 5

一句话总结

本研究在宇宙学流体动力学模拟中调查了星系大小与晕自旋参数之间的关系，发现尽管IllustrisTNG和Auriga模拟显示盘状星系大小与晕自旋之间存在中等程度的相关性（ρ = 0.50，针对银河系质量星系），但EAGLE和Apostle模拟则表现出微弱或无相关性。结果表明，亚网格物理模型和流体动力学求解器——尤其是反馈模型——在建立该关系中起着关键作用，挑战了现代模拟中MMW98模型的普适性。

ABSTRACT

In the standard disk galaxy formation model, the sizes of galactic disks are tightly related to the spin parameters $λ$ of their dark matter haloes. The model has been wildly adopted by various semi-analytic galaxy formation models which have been extremely successful to interpret a large body of observational data. However, the size-$λ$ correlation was rarely seen in most modern hydrodynamical simulations of galaxy formation. In this short paper, we make use of 4 sets of large hydrodynamical simulations to explore the size-spin parameter relation with a large sample of simulated disk galaxies, and compare it with a popular disk galaxy formation model of Mo et al. (1998). Intriguingly, galactic sizes correlate strongly with spin parameters of their dark matter haloes in the simulations developed by the IllustrisTNG collaborations, albeit the relation does not always agree with prediction of MMW98 model over all stellar mass range we examined. There is also a size-spin correlation for the Milky way analogies in the EAGLE simulations, while it is relatively weaker than that of the IllustrisTNG counterparts. For the dwarfs in the simulations from the EAGLE collaboration, there is NULL correlation. We conclude that either the detailed subgrid physics or hydrodynamics solvers account for the size-spin relation, which will be explored in our future work.

研究动机与目标

• 测试经典盘状星系形成模型（MMW98）在现代宇宙学流体动力学模拟中的有效性。
• 调查在具有不同亚网格物理模型的模拟套件中，星系大小-自旋参数关系（r₁/₂/R₂₀₀ 与 λ）是否成立。
• 比较多个模拟项目中，银河系质量星系与矮星系的大小-自旋相关性的强度与形式。
• 识别可能驱动或抑制模拟中大小-自旋关系的物理机制，特别是反馈和流体动力学求解器的作用。

提出的方法

• 利用四个大规模宇宙学流体动力学模拟：TNG100-1 和 Auriga（IllustrisTNG 系列），EAGLE 和 Apostle（EAGLE 系列）。
• 通过运动学和形态学标准（例如，使用 κ 参数识别旋转支持的盘状结构）选取盘状星系。
• 测量恒星盘尺度长度 r₁/₂，并将其归一化至晕的 virial 半径 R₂₀₀，以计算 r₁/₂/R₂₀₀。
• 基于模拟中获得的晕属性，使用标准定义 λ = jₕ / (√2 V₂₀₀ R₂₀₀) 计算晕自旋参数 λ。
• 应用斯皮尔曼等级相关性分析以量化 r₁/₂/R₂₀₀–λ 关系的强度，并通过费舍尔变换进行误差估计。
• 将模拟结果与 MMW98 模型的预测进行比较，假设 fⱼ = 0.5 且 fᵣ = 1，以评估模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MMW98 模型预测的大小-自旋参数关系是否在现代盘状星系流体动力学模拟中成立？
• RQ2 不同模拟套件（如 IllustrisTNG 与 EAGLE）之间的 r₁/₂/R₂₀₀–λ 相关性强度如何变化？
• RQ3 在这些模拟中，银河系质量星系的该相关性是否强于矮星系？
• RQ4 亚网格物理和流体动力学求解器在产生或抑制大小-自旋相关性方面起什么作用？
• RQ5 为何某些模拟（如 EAGLE）显示无相关性，尽管 MMW98 模型有理论预期？

主要发现

• IllustrisTNG 和 Auriga 模拟对银河系质量星系表现出星系大小（r₁/₂/R₂₀₀）与晕自旋参数 λ 之间的中等正相关性，斯皮尔曼相关系数为 ρ = 0.50 ± 0.05。
• 相比之下，EAGLE 和 Apostle 模拟表现出微弱或无相关性，其中银河系质量星系的 ρ = 0.32 ± 0.07，矮星系的 ρ = 0.02 ± 0.09。
• 在假设 fⱼ = 0.5 的前提下，IllustrisTNG 和 Auriga 模拟中的大小-自旋关系与 MMW98 模型一致，尤其对银河系质量星系而言。
• 在两个模拟系列中，矮星系的该相关性均较弱，且 r₁/₂/R₂₀₀–λ 关系的对数斜率与 MMW98 预测不一致。
• 模拟结果之间的差异——IllustrisTNG/Auriga 中存在强相关性，而 EAGLE 中则为弱或无相关性——表明亚网格物理和流体动力学求解器是决定大小-自旋关系的关键因素。
• 作者推测，星系中重子循环效率的差异（例如，Auriga 中比 EAGLE 更多的重子闭合循环）可能是 Auriga 中相关性更强的原因，尽管这仍需进一步研究。