[论文解读] Unraveling emission line galaxy conformity at z~1 with DESI early data

Sihan Yuan, Risa H. Wechsler+33 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2023

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 197被引用 5

一句话总结

本文提出，红移 z~1 的发射线星系（ELGs）表现出‘一致性’——即中心星系与卫星星系之间相关联的恒星形成现象——其驱动力为并合引发的星暴，这挑战了标准晕占有分布（HOD）模型。利用DESI早期数据及模拟（IllustrisTNG、UniverseMachine），研究发现ELG的聚类特性、与LRGB和星系团的交叉相关性，以及形态学特征均表明，需采用超越标准HOD的环境依赖型恒星形成模型。

ABSTRACT

Emission line galaxies (ELGs) are now the preeminent tracers of large-scale structure at z>0.8 due to their high density and strong emission lines, which enable accurate redshift measurements. However, relatively little is known about ELG evolution and the ELG-halo connection, exposing us to potential modeling systematics in cosmology inference using these sources. In this paper, we propose a physical picture of ELGs and improve ELG-halo connection modeling using a variety of observations and simulated galaxy models. We investigate DESI-selected ELGs in COSMOS data, and infer that ELGs are rapidly star-forming galaxies with a large fraction exhibiting disturbed morphology, implying that many of them are likely to be merger-driven starbursts. We further postulate that the tidal interactions from mergers lead to correlated star formation in central-satellite ELG pairs, a phenomenon dubbed "conformity." We argue for the need to include conformity in the ELG-halo connection using galaxy models such as IllustrisTNG, and by combining observations such as the DESI ELG auto-correlation, ELG cross-correlation with Luminous Red Galaxies (LRGs), and ELG-cluster cross-correlation. We also explore the origin of conformity using the UniverseMachine model and elucidate the difference between conformity and the well-known galaxy assembly bias effect.

研究动机与目标

• 利用DESI早期数据与多波段观测，探究 z~1 处发射线星系（ELG）一致性现象的物理成因。
• 解决ELG演化及ELG-晕关联机制理解不足的问题，以避免在宇宙学推断中引入系统误差。
• 检验标准HOD模型是否能解释DESI选中的ELG的聚类特性、与LRGB及星系团的交叉相关性，以及形态学特征。
• 利用UniverseMachine模型区分一致性与星系组装偏置之间的差异。
• 构建具有环境依赖性的扩展HOD模型，以更准确地匹配观测到的ELG聚类特性与卫星星系数密度。

提出的方法

• 利用多波段数据分析DESI在COSMOS场中选中的ELG，评估其形态、恒星形成性质与聚类特性。
• 测量自相关函数、ELG–LRGB交叉相关函数及ELG–星系团交叉相关函数，以约束ELG-晕关联关系。
• 利用UniverseMachine半解析模型检验仅凭晕质量的组装历史是否能再现观测到的ELG特性。
• 通过对比UniverseMachine模型对恒星质量函数、SFR分布及聚类特性的预测与DESI数据，对模型进行压力测试。
• 在HOD模型中引入非标准幂律指数 α 的卫星占有函数，允许 α > 0.3 以解释一致性现象。
• 利用星系团富集度与ELG卫星数密度约束 α，排除负值或标准HOD（α=0.3）模型。

Figure 1 : Scatter plot showing the projected distribution of ELGs (blue) and LRGs (orange) in $0.8<z<1.1$ in one of the 20 rosettes in DESI One-Percent Survey. This specific rosette also covers the COSMOS field.

实验结果

研究问题

• RQ1 驱动 z~1 处ELG成对观测到的一致性的物理机制是什么？
• RQ2 标准HOD模型能否解释DESI选中ELG的观测聚类特性与交叉相关性？
• RQ3 观测到的一致性是由并合触发的星暴引起，还是星系组装偏置的衍生效应？
• RQ4 仅基于晕质量的UniverseMachine模型能否再现DESI ELG的全部观测特性？
• RQ5 为一致描述ELG聚类特性与卫星丰度，HOD框架需进行何种必要修正？

主要发现

• z~1 处的ELG主要为快速恒星形成星系，其中高比例表现出扰动形态，表明其恒星形成由并合触发。
• 观测到的ELG–星系团交叉相关性显示，卫星数与星系团富集度呈正相关，从而否定了负值或标准HOD（α=0.3）参数的模型。
• α 的粗略优选范围为 0.8 < α < 1.2，表明卫星占有对晕质量的依赖性高于标准HOD模型。
• 标准UniverseMachine模型无法同时再现DESI ELG的观测恒星质量函数、SFR分布与聚类特性。
• ELG中的一致性现象最合理的解释是1晕内由并合触发的星暴，而非星系组装偏置，凸显了环境依赖型恒星形成模型的必要性。
• 结果表明，当前HOD与半解析模型不足以支持高红移宇宙学研究；必须采用具有环境依赖性的扩展模型，才能实现稳健的宇宙学推断。

Figure 2 : The mean number density of the DESI EDR LRG and ELG samples as a function of redshift. For this study, we only consider the two samples in the $0.8<z<1.1$ redshift regime, where the ELG sample reaches its peak number density and the LRG sample density drops off.