The formation of dark matter halos and high-redshift galaxies [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Shy Genel

Shy Genel

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• Publié par: ludwig-maximilians-universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
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Extrait

Ludwig–Maximilians–Universit¨at
The Formation of Dark Matter Halos
and High-Redshift Galaxies
Dissertation an der Fakult¨at fu¨r Physik
der Ludwig–Maximilians–Universit¨at Mu¨nchen
fu¨r den Grad des
Doctor rerum naturalium
vorgelegt von
Shy Genel
aus Herzliya, Israel
Mu¨nchen, den 16.12.2010Erstgutachter: Prof. Dr. Reinhard Genzel
Zweitgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 11.03.2011To my grandmother
and my parents
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d
ql
iDie Blumen erreicht der Fuß so leicht,
Auch werden zertreten die meisten;
Man gehe vorbei und tritt entzwei
Dir bl¨oden wie die dreisten.
Die Perlen ruhn in Meerestruhn,
Doch weiß man sie aufzuspu¨ren;
Man bohrt ein Loch und spannt sie ins Joch,
Ins Joch von seidenen Schnu¨ren.
Die Sterne sind klug, sie halten mit Fug
Von unserer Erde sich ferne;
Am Himmelszelt, als Lichter der Welt,
Stehn ewig sicher die Sterne.
Heinrich Heine, Kluge SterneContents
Contents 1
Zusammenfassung 9
Abstract 11
1 Introduction 13
1.1 Galaxy formation in the ΛCDM cosmological model . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.1 The homogeneous ΛCDM Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.2 Cosmic structure formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.3 Modeling galaxy formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2 High-redshift galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1 Observed star-forming galaxies at z≈ 2 . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.2 An emerging new theoretical understanding . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.3 Modeling z≈ 2 star-forming galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3 Mergers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.1 The physics of mergers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.2 Merger rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.2.1 Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.2.2 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4 Star-formation feedback in galaxy formation . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5 The current work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.2 Thesis overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2 The dark matter halo merger rate 31
2.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3 Extracting the merger rate from the Millennium Simulation . . . . . . . . 34
2.3.1 The Millennium Simulation and its merger trees . . . . . . . . . . . 34
2.3.2 Constructing new halo merger trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 Definitions of the merger rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 CONTENTS
2.4.1 The merger rate per progenitor halo as a function of mass ratio . . 41
2.4.2 The major merger rate per progenitor halo . . . . . . . . . . . . . . 43
2.4.3 The merger rate per descendant halo . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.4 Comparison between the merger rate definitions . . . . . . . . . . . 47
2.5 Comparison to previous work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.1 Comparison to Fakhouri & Ma (2008) . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5.2 Comparison to the EPS model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.5.3 The role of the halo mass definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.6 Comparison to observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.7 Summary and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3 Dark matter halo growth: evidence for smooth accretion 65
3.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3 Analysis of merger trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.2 Results from the merger trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2.1 The merger rate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.3.2.2 Halo growth modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.2.3 Comparison to the EPS model . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.4 Analysis of particle histories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.1 Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.4.2 Results from the analysis of particles . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.4.3 The cycle of particles in and out of halos . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.4.4 Alternative trees and halo definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.5 Implications for galaxy formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.6 Comparison to previous work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4 The Millennium Simulation Compared to z≈ 2 Galaxies 89
4.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Analysis of the Millennium Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.1 The Millennium Simulation and its merger trees . . . . . . . . . . . 91
4.3.2 Constructing new merger trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.4 Galaxies at z≈ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.4.1 SINS galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.4.2 SMGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5 Fate at z = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.1 Fate of SINS galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.2 Fate of SMGs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99CONTENTS 3
5 Short-lived giant clumps in z≈ 2 disks 101
5.1 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.3 The Simulations: Code and Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.5 Comparison to observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.6 Summary and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6 Summary and prospects 115
A Analytic conversion of merger rate definitions 121
B Using the substructure to find the end point of mergers 123
Bibliography 129
Acknowledgements 141
Curriculum Vitae 143
Publication List 1454 CONTENTS