[论文解读] The MillenniumTNG Project: The galaxy population at $z\geq 8$

Rahul Kannan, Volker Springel+12 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 11

一句话总结

本文利用大规模的MillenniumTNG流体动力学模拟（L_box ~740 cMpc）预测了红移 z ≥ 8 时的高红移星系群体，与早期詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）观测结果进行比较。结果表明，尽管模拟在 z ~ 10 以内与观测结果一致，但在 z ≳ 12 之后，其对明亮星系及其恒星形成率的预测值比实际观测值低近一个数量级，提示在这些红移下，星系形成模型需要引入新的物理机制。

ABSTRACT

The early release science results from $ extit{JWST}$ have yielded an unexpected abundance of high-redshift luminous galaxies that seems to be in tension with current theories of galaxy formation. However, it is currently difficult to draw definitive conclusions form these results as the sources have not yet been spectroscopically confirmed. It is in any case important to establish baseline predictions from current state-of-the-art galaxy formation models that can be compared and contrasted with these new measurements. In this work, we use the new large-volume ($L_\mathrm{box}\sim 740 \, \mathrm{cMpc}$) hydrodynamic simulation of the MillenniumTNG project, suitably scaled to match results from higher resolution - smaller volume simulations, to make predictions for the high-redshift ($z\gtrsim8$) galaxy population and compare them to recent $ extit{JWST}$ observations. We show that the simulated galaxy population is broadly consistent with observations until $z\sim10$. From $z\approx10-12$, the observations indicate a preference for a galaxy population that is largely dust-free, but is still consistent with the simulations. Beyond $z\gtrsim12$, however, our simulation results underpredict the abundance of luminous galaxies and their star-formation rates by almost an order of magnitude. This indicates either an incomplete understanding of the new $ extit{JWST}$ data or a need for more sophisticated galaxy formation models that account for additional physical processes such as Population~III stars, variable stellar initial mass functions, or even deviations from the standard $Λ$CDM model. We emphasise that any new process invoked to explain this tension should only significantly influence the galaxy population beyond $z\gtrsim10$, while leaving the successful galaxy formation predictions of the fiducial model intact below this redshift.

研究动机与目标

• 利用最先进的星系形成模型，建立高红移星系群体（z ≥ 8）的基准预测。
• 将模拟得到的星系属性与早期 JWST 观测结果进行比较，后者显示出出乎意料的大量明亮高红移星系。
• 评估当前星系形成模型是否能够解释 z > 10 时观测到的大量质量大、亮度高的星系。
• 确定当前模型开始无法匹配观测结果的红移阈值，以揭示物理或宇宙学模型中的潜在局限性。
• 通过识别任何新物理机制必须仅影响 z > 10 的条件，为未来建模工作提供指导，同时保留基准模型在低红移下的成功表现。

提出的方法

• 利用来自 MillenniumTNG 项目的大型体积（L_box ~740 cMpc）流体动力学模拟，该模拟包含反馈、恒星形成和金属富集物理过程。
• 将低分辨率 MTNG740 模拟的结果缩放至匹配高分辨率 TNG50 模拟的输出，以校正分辨率效应。
• 应用标准的半解析技术，从模拟输出中识别星系，估算恒星质量、紫外星等和恒星形成率。
• 将模拟得到的星系数密度和恒星形成率密度与早期 JWST 巡天观测值进行比较，特别关注 M_UV < -17 的星系。
• 评估模拟得到的金属丰度和尘埃含量与观测估计值的一致性，尤其针对高红移候选星系。
• 评估宇宙方差和光谱红移不确定性的观测比较影响，承认当前数据的局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前 MillenniumTNG 模拟中的星系形成模型在多大程度上能再现 z ≥ 8 时观测到的明亮星系数密度？
• RQ2 模拟与观测之间星系数密度的差异在哪个红移开始变得显著？
• RQ3 观测到的高红移星系是否与它们的光谱能量分布（SED）所暗示的无尘状态一致？与模拟预测相比如何？
• RQ4 模拟得到的恒星形成率和恒星质量在多大程度上与早期 JWST 数据推断的结果一致？
• RQ5 为了解决 z ≳ 12 之后观测到的明亮星系过量问题，星系形成模型中必须引入哪些物理机制（如有）？”

主要发现

• 模拟得到的星系群体在 z ~ 10 以内与观测结果总体一致，表明当前模型在该红移范围内合理再现了早期星系群体的特征。
• 在 z ≳ 12 之后，模拟显著低估了明亮星系（M_UV < -17）的数密度及其恒星形成率，差距接近一个数量级。
• 观测中在 z ~ 10–12 时对无尘星系的偏好与模拟结果一致，表明在尘埃含量方面目前无明显矛盾。
• 模拟星系的金属丰度与观测结果一致，暗示许多高红移星系非常年轻，其大部分恒星为近期形成。
• 在 z > 10 时观测到的大量质量星系（M_* ~ 10^11 M_sun）与它们宿主暗物质晕中可用的重子物质储备不一致，提示需要引入新物理机制。
• 为解决该矛盾而引入的任何新物理过程必须仅影响 z > 10，以保留基准模型在低红移下的成功表现。