[论文解读] The THESAN project: galaxy sizes during the epoch of reionization

Xuejian Shen, Mark Vogelsberger+13 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2024

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一句话总结

本文使用 thesan 辐射-磁流体动力学模拟分析 z ≳ 6 的星系尺度，揭示固有的大小–质量趋势、质量较大星系的压缩，以及与观测到的 UV 尺度之间的矛盾。

ABSTRACT

We investigate galaxy sizes at redshift $z\gtrsim 6$ with the cosmological radiation-magneto-hydrodynamic simulation suite THESAN(-HR). These simulations simultaneously capture the reionization of the large-scale intergalactic medium and resolved galaxy properties. The intrinsic size ($r^{\ast}_{1/2}$) of simulated galaxies increases moderately with stellar mass at $M_{\ast} \lesssim 10^{8}\,{ m M}_{\odot}$ and decreases fast at larger masses, resulting in a hump feature at $M_{\ast}\sim 10^{8}\,{ m M}_{\odot}$ that is insensitive to redshift. Low-mass galaxies are in the initial phase of size growth and are better described by a spherical shell model with feedback-driven gas outflows competing with the cold inflows. In contrast, massive galaxies fit better with the disk formation model. They generally experience a phase of rapid compaction and gas depletion, likely driven by internal disk instability rather than external processes. We identify four compact quenched galaxies in the $(95.5\,{ m cMpc})^{3}$ volume of THESAN-1 at $z\simeq 6$, and their quenching follows reaching a characteristic stellar surface density akin to the massive compact galaxies at cosmic noon. Compared to observations, we find that the median UV effective radius ($R^{ m UV}_{ m eff}$) of simulated galaxies is at least three times larger than the observed ones at $M_{\ast}\lesssim 10^{9}\,{ m M}_{\odot}$ or $M_{ m UV}\gtrsim -20$ at $6 \lesssim z \lesssim 10$. This inconsistency, related to the hump feature of the intrinsic size--mass relation, persists across many other cosmological simulations with different galaxy formation models and demonstrates the potential of using galaxy morphology to constrain the physics of galaxy formation at high redshifts.

研究动机与目标

• 在辐射-流体动力学框架下，研究星系在再电离时代（z ≳ 6）尺度的演化。
• 描述固有的大小-质量关系及其在广泛的恒星质量范围内的演化。
• 识别推动早期星系尺度增长、收缩和淬灭的物理机制。
• 将模拟的星系尺度与 JWST 观测进行对比，并评估形态测量中的不确定性。

提出的方法

• 使用 thesan 与 thesan-hr 模拟套件，它们将辐射传输与磁流体动力学耦合，并采用基于 IllustrisTNG 的星系形成模型。
• 从模拟数据和模拟影像中计算固有的三维恒星半质量半径 (r*1/2) 和二维有效半径 (R_eff)。
• 后处理将星系基于恒星形成主序（SFMS）进行 0.2 dex 组距的划分，并以 −1.0 dex 的 sSFR 阈值将其分为有星形成与淬灭两类。
• 用 SKIRT 辐射传输生成模拟影像，包含尘埃、星云发射及 UV/可见波段，以便在原位紫外和V波段测量大小。
• 比较不同质量和红移下的固有尺寸，并与观测的 UV 尺度以及其他宇宙学模拟的结果进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在再电离时代（z ≳ 6）中，thesan 预测的星系固有大小-质量关系是什么？
• RQ2 低质量和高质量星系的大小趋势有何不同，哪些物理过程驱动这些趋势？
• RQ3 模拟的星系尺度在原位 UV/光波段是否与 JWST 观测一致，若有差异，差异的来源是什么？
• RQ4 在高红移时，星系淬灭与尺寸演化及恒星表面密度之间有何关系？

主要发现

• 固有星系尺寸随恒星质量略微增加，当 M* ≲ 10^8 Msun 时；在更大质量时迅速下降，在 M* ≈ 10^8 Msun 处形成一个凸起。
• 低质量星系处于早期增长阶段，用球壳模型来描述更合适，其特征是反馈驱动的出流与冷星流竞争；而质量较大的星系趋向于盘结构形成并伴随气体耗竭导致的快速压缩。
• 在 z ≈ 6 的 thesan-1 体积中发现四个紧凑的淬灭星系，淬灭发生在达到一个特征恒星表面密度的阶段之后。
• 与观测相比，模拟的中位紫外有效半径在 M* ≲ 10^9 Msun 或 M_UV ≳ −20 时，在 6 ≲ z ≲ 10 的范围内至少比观测大三倍；模拟未能再现在 M* ~ 10^8 Msun 时存在的紧凑型（R_eff^UV ≲ 300 pc）星系群体。
• 这些不一致在采用不同子网格物理的多种宇宙学模拟中也存在，凸显星系形态作为高-z 星系形成物理约束的潜力。