[论文解读] The impact of galactic feedback on the shapes of dark-matter haloes

Kun Ting Eddie Chua, Mark Vogelsberger+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena被引用 4

一句话总结

本研究利用IllustrisTNG项目的宇宙学流体动力学模拟，探讨星系形成反馈对暗物质晕形状的影响。结果表明，重子过程（尤其是恒星反馈）使晕体变圆，特别是在$\sim2\times10^{12}\,\rm M_\odot$质量尺度上，与仅含暗物质的模拟相比，内晕球形度提高了40%。晕的形状与恒星质量分数强相关，且在不同反馈模型下表现稳健，尽管存在显著的晕间差异。

ABSTRACT

We quantify the impact of galaxy formation on dark matter halo shapes using cosmological simulations at redshift $z=0$. The haloes are drawn from the IllustrisTNG project, a suite of magneto-hydrodynamic simulations of galaxies. We focus on haloes of mass $10^{10-14} M_\odot$ from the 50-Mpc (TNG50) and 100-Mpc (TNG100) boxes, and compare them to dark matter-only (DMO) analogues and other simulations e.g. NIHAO and Eagle. We further quantify the prediction uncertainty by varying the baryonic feedback models in a series of smaller 25 Mpc $h^{-1}$ boxes. We find that: (i) galaxy formation results in rounder haloes compared to the DMO simulations, in qualitative agreement with past hydrodynamic models. Haloes of mass $\approx 2 imes 10^{12} M_\odot$ are most spherical, with an average minor-to-major axis ratio of $\left< s ight> \approx 0.75$ in the inner halo, an increase of 40 per cent compared to their DMO counterparts. No significant change in halo shape is found for low-mass $10^{10} M_\odot$ haloes; (ii) stronger feedback, e.g. increasing galactic wind speed, reduces the impact of baryons; (iii) the inner halo shape correlates with the stellar mass fraction, which can explain the dependence of halo shapes on different feedback models; (iv) the fiducial and weaker feedback models are most consistent with observational estimates of the Milky Way halo shape. Yet, at fixed halo mass, very diverse and possibly unrealistic feedback models all predict inner halo shapes that are closer to one another than to the DMO results. This implies that a larger observational sample would be required to statistically distinguish between different baryonic prescriptions due to large halo-to-halo variation in halo shapes.

研究动机与目标

• 量化星系形成物理过程对宇宙学流体动力学模拟中暗物质晕形状的影响。
• 评估不同重子反馈方案（如星系风速度和类星体反馈）对晕非球对称性的影响。
• 将模拟的晕形状与银河系晕的观测估计（特别是其内区球形度）进行比较。
• 在观测不确定性与晕间离散性背景下，评估反馈模型与晕形状预测之间的退化关系。
• 判断仅凭晕形状是否足以约束反馈模型，还是需要结合其他星系诊断信息。

提出的方法

• 利用IllustrisTNG项目（TNG50和TNG100）的高分辨率宇宙学模拟，包含完整的重子物理过程，包括恒星形成、恒星反馈和类星体反馈。
• 将流体动力学模拟（TNG）中的晕形状与对应的仅含暗物质（DMO）模拟进行对比，以分离重子效应的影响。
• 在更小的25 Mpc/h盒子中进行反馈参数变化实验，系统性地调整星系风速度和能量，并抑制黑洞反馈，以检验模型敏感性。
• 通过径向分箱（如$r = 0.02R_{200}$和$r = 0.15R_{200}$）内的轴比$q = b/a$和$s = c/a$来测量晕形状，追踪其随晕质量的变化。
• 分析内晕形状与恒星质量分数$m_*/M_{200}$之间的相关性，以识别形状变化的物理驱动力。
• 使用统计重叠和$1-\sigma$一致性检验，将模拟结果与银河系晕形状的观测约束（如$c/a \approx 0.72$）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与仅含暗物质的模拟相比，星系形成反馈的引入如何改变暗物质晕的形状？
• RQ2 晕的非球对称性如何依赖于晕质量？当引入重子物质后，这种依赖关系是否发生变化？
• RQ3 反馈强度的变化（如风速、类星体反馈）如何影响暗物质晕的预测形状？
• RQ4 晕中恒星质量分数在多大程度上与其中心晕形状相关？
• RQ5 在存在观测不确定性与晕间离散性的情况下，仅凭晕形状能否有效区分不同的重子反馈模型？

主要发现

• 星系形成过程降低了晕的非球对称性，质量约为$\sim2\times10^{12}\,\rm M_\odot$的晕显著变圆，其内晕的平均次轴与主轴比$\left<s\right> \approx 0.75$，相比DMO模拟提高了40%。
• 在低质量晕（$10^{10}\,\rm M_\odot$）中未观测到显著形状变化，此时重子效应可忽略不计。
• 更强的反馈（如更高的风速或能量）会降低晕的球形度，使其更趋于长形；而较弱的反馈则导致更扁平、更接近球形的形状。
• 内晕形状与恒星质量分数强相关：当$m_*/M_{200} \gtrsim 1-2\%$时，晕的球形度明显高于DMO模拟，且不同反馈模型在内区的形状差异较小（$\Delta\left<s\right> \lesssim 0.1$）。
• 尽管反馈方案存在显著差异，所有重子模型预测的内晕形状彼此之间比与DMO结果更相似，表明仅凭晕形状难以强烈约束反馈模型。
• 标准反馈模型和弱反馈模型与银河系晕形状的观测估计（$c/a \approx 0.72$）最为一致，所有八个重子模型（排除DMO）在$s_{\text{MW}} = 0.7-0.8$范围内均落在$1-\sigma$置信区间内。