Simulations of galaxy formation and large scale structure [Elektronische Ressource] / Felix Stoehr

Stoehr, Madeleine Felix

Sujets

• Astronomie

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2003
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Simulations of Galaxy
Formation and Large Scale
Structure
Felix Stoehr
PhD Thesis
4 July 2003
Physics Department
Ludwig-Maximilian Universit˜ at Munc˜ hen
Supervising Professor
Prof. Dr. Simon D. M. White
Max-Planck-Institut fur˜ Astrophysik, Germany1. Gutachter: Prof. Dr. Simon D. M. White
2.hter: Prof. Dr. Gerhard B˜ orner
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 9. Oktober 2003\Wenn die Vorstellung aller dieser Vollkommenheit nun die
Einbildungskraft ruhrt,˜ so nimmt den Verstand andererseits
eine andere Art der Entzuc˜ kung ein, wenn er betrachtet, wie
so viel Pracht, so viel Gr˜ osse aus einer einzigen allgemeinen
Regel mit einer ewigen richtigen Ordnung ab iesst."
Immanuel Kant, Allgemeine Naturgeschichte und Theorie
des Himmels, 1755Contents
Zusammenfassung 9
Summary 11
1 The Standard Model of Galaxy Formation 15
1.1 The Universe in a nutshell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 Large scale structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.1 The standard model of cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 Dark matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.3 The homogeneous Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.4 Density uctuations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.2.5 Fluctuation growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.2.6 Object formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.2.7 Limits of the standard model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3 Galaxy formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.1 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.2 Star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.3 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.4 Merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.3.5 Reionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4 Numerical simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.4.1 Zel’dovich approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4.2 Simulation codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.4.3 Semi-analytic models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.4 DM-only vs. SPH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2 Galaxies and Environment 39
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2 N-body simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.1 Initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5Contents
2.2.1.1 Region selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.2.1.2 Grid and glass distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.1.3 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 Halo environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Estimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1.1 Mass in shells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1.2 FOF subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1.3 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4 Dark Matter Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.1 Mass function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.2 Proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.3 Shapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.4 Spin parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.5 Formation time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.4.6 Last major merger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5 Galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.1 Galaxy formation model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.5.1.1 Cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.5.1.2 Star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.5.1.3 Feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.1.4 Merging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.5.1.5 Model parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.5.2 Luminosity function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.5.3 Tully-Fisher-relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.5.4 Star formation rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.5.5 Galaxy distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.5.6 Galaxies and environmental efiects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.5.6.1 Bulge-to-total luminosity ratio . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.5.6.2 B-V colour index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Satellite Galaxies of the Milky Way 91
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.2 The simulated Milky Way . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.2.1 Initial conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.1.1 Selection procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.1.2 Twolevel-zic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.2.1.3 Starting redshift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6Contents
3.2.1.4 Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.1.5 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.1.6 Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2.2 Simulation results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.2.1 Density proflle and circular velocity curve . . . . . . . . . 107
3.2.2.2 Bound vs. unbound subhalo particles . . . . . . . . . . . 115
3.2.2.3 Backtracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.2.2.4 Circular velocity curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.2.2.5 Object-by-object comparison . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.3 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.3.1 Milky Way dwarf spheroidals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.3.2 Fornax and Draco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.4 Velocity dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4.1 Phase space density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
3.4.2 The Jeans equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.5 Comparison . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.5.1 Central velocity dispersions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
3.5.2 Velocity dispersion proflles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
3.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4 Dark Matter Annihilation 143
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.2 Dark matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2.1 Candidate particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.2.2 Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.2.3 Dark matter search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.2.4 Annihilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
4.3 N-body simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.4 Smooth halo luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.5 Halo substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.5.1 Subhalomassfunction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.6 Substructure luminosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.6.1 Density estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.6.2 Enhancement due to substructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6.2.1 Flattening and discreteness . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.6.2.2 Selfsimilarity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
4.6.2.3 Luminosity contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.6.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
7Contents
4.7 Subhalodistribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.8 Detectability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.8.1 Cross-section computation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.8.2 Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.8.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.9 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Conclusions 175
List of Publications 179
List of Figures 181
List of Tables 185
Units and Constants 187
Bibliography 189
8Zusammenfassun