Understanding the Connection between Galaxy and Dark Matter from Dwarf Galaxies to Large-Scale Structures in the Universe = 왜소은하부터 우주거대구조에 이르는 은하와 암흑물질 사이의 관련성에 대한 이해

국문 초록 (Abstract)

우리가 이해하는 은하 형성 과정에 따르면 은하는 일반적으로 암흑물질과 함께 존재한다. 은하의 형성과 진화는 은하가 자리한 헤일로와 밀접하게 연관되어 있다. 관측 장비의 발전과 고해상도 우주론적 시뮬레이션의 개발을 통해, 은하의 물리적 성질과 암흑물질과의 연관성을 정밀하게 탐구할 수 있게 되었다. 본 학위논문에서는 관측과 우주론적 유체역학 시뮬레이션을 활용하여, 왜소은하 규모에서 대규모 구조에 이르기까지 은하와 암흑물질의 연결 고리를 이해하는데 초점을 둔다. 이 논문을 위해 수행한 프로젝트는 세 가지가 있으며, 각각은 다음과 같다.

먼저, 우주론적 유체역학 시뮬레이션 Horizon Run 5를 이용하여, 은하와 암흑물질 하위헤일로의 모양과 우주의 대규모 구조 사이의 내재적 졍렬의 적색이동 진화를 분석하였다. 이를 위해 은하의 별질량과 운동학적 형태를 기준으로 모의 은하 목록에서 초기형 (early-type) 은하를 선별하였다. 은하와 하위헤일로의 모양과 방향을 측정하였다. 은하와 암흑물질 하위헤일로 사이의 오정렬을 살펴보았고 시간이 지남에 따라 감소함을 확인하였다. 은하 또는 하위헤일로의 모양과 대규모 밀도장 사이의 2점 상관함수를 분석하고, z=0.625에서 z=2.5까지 내재적 정렬의 진폭을 정량화하였다. 그 결과, 은하에 대한 내재적 정렬의 진폭은 적색이동에 따라 거의 일정한 반면, 암흑물질 하위헤일로의 진폭은 유의미한 적색이동 의존성을 보였고 3𝜎를 초과하는 유의수준에서 0과 다름을 확인하였다. 이 결과는 기존 관측 제약과 대체로 일치했다. 다른 우주론적 시뮬레이션의 선행 결과와도 잘 부합하였다.

둘째, IllustirsTNG 우주론적 유체역학 시뮬레이션을 활용하여 암흑물질 결핍 은하를 탐구하였다. 나는 은하의 암흑물질질량 대 별질량 비가 1미만인 은하를 암흑물질 결핍 은하로 정의하였고, 두 가지 형성 경로를 확인하였다. 첫번째는 거대한 암흑물질 헤일로에서 형성된 은하가 암흑물질의 대부분을 잃어 암흑물질 결핍 은하로 전환되는 경우이다. 두번째는 은하가 처음부터 암흑물질이 거의 없거나 전혀 없이 형성되는 경우이다. 거대한 헤일로에서 기원된 암흑물질 결핍 은하는 질량, 크기, 운동학에서 변화가 명확한 반면, 소량의 암흑물질에서 형성된 암흑물질 결핍 은하는 진화가 비교적 완만한 것을 확인하였다. 또한 전자는 대규모 과밀 영역에서 최근접 이웃 은하와 가까운 곳에서 형성되는 경향이 확인되었으며, 이는 후자보다 두드러졌다. 이 결과는 은하가 암흑물질 결핍 상태가 되는 경로가 적어도 두 가지 존재함을 뚜렷하게 보여주었다.

마지막으로, 왜소 은하의 역학이 Verlinde의 출현 중력(emergent gravity)으로 설명될 수 있는지 검토하였다. 이를 위해 문헌에서 국부은하군(Local Group)에 속한 왜소 은하 30개의 시선 속도분산 프로파일을 수집하였다. 출현 중력을 기반으로 은하의 별 성분이 만들어내는 중력가속도를 계산하였고, 관측으로부터 유도된 가속도와 비교하였다. 출현 중력으로 유도된 계산값은 관측값과 불확실도 범위 내에서 일치하였다. 이 결과는 암흑물질이 지배적일 것으로 간주되는 저질량 은하에서도, 암흑물질을 도입하지 않고 은하의 운동을 설명할 수 있음을 시사한다. 이 결과는 왜소 은하의 운동을 암흑물질 없이 설명하기 위해 추가적인 보간함수를 도입해야하는 MOND와 뚜렷이 대조된다.

세 가지 연구를 통해 은하와 암흑물질 사이의 연관성을 다양한 관점에서 조사하였다. (1) 암흑물질 대규모 구조의 성장의 흔적을 반영하는 내재적 정렬의 적색이동 진화, (2) 암흑물질 결핍 은하를 통한 암흑물질의 부재가 은하 형성과 진화에 미치는 영향, 그리고 (3) 암흑물질을 도입하지 않고 대안 중력 이론을 통해 암흑물질이 지배적인 천체의 운동학을 해석하는 연구이다. 종합하면, 세 연구는 은화와 암흑물질의 연관성에 대한 우리의 이해를 한층 발전시킨다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

According to our understanding of galaxy formation, galaxies are generally accompanied with dark matter. This means that galaxy formation and evolution are closely linked to the host dark matter halos where galaxies are embedded. Advancement in observations, instrumentation and simulations enable us to investigate the galaxy properties and the connection with dark matter in detail. This thesis focuses on understanding the connection between galaxy and dark matter from the dwarf galaxies to the large–scale structures using observations and cosmological hydrodynamical simulations. This thesis is composed of three main projects, listed as follows.

First, I investigate the redshift evolution of intrinsic alignments of the shapes of galaxies and dark matter subhalos with the large–scale structures in the universe using the cosmological hydrodynamical simulation, Horizon Run 5. To this end, early–type galaxies are selected from the simulated galaxy catalogs based on stellar mass and kinematic morphology. I measure the shapes and orientations of galaxies and dark matter subhalos. I estimate the misalignment between them and find that they are aligned with each other over time. I analyze the two–point correlation between galaxy or dark matter subhalo shapes and the large-scale density field and quantify the amplitude from z = 0.625 to z = 2.5. I find that the amplitude for galaxies remains largely constant with redshift, whereas dark matter subhalos exhibits redshift evolution that deviates from zero at a significance level exceeding 3𝜎. Notably, the results are broadly consistent with existing observational constraints. These findings are in good agreement with previous results of other cosmological simulations.

Second, I explore dark matter–deficient galaxies (DMDGs) using the IllustrisTNG cosmological hydrodynamical simulation. I define DMDGs as systems with a dark matter–to–stellar mass ratio below unity and find two formation channels. In the first, galaxies that initially form within massive dark matter halos lose the majority of their dark matter and transition into DMDGs. In the second, galaxies form with little or no dark matter from the beginning. DMDGs originated within massive dark matter halos exhibit significant variations with time in mass, size, and kinematics, whereas those formed with little dark matter show mild evolution. The former population tends to form closer to their nearest neighbor galaxies in large–scale dense regions than the latter. These results support at least two distinct pathways to make galaxies dark matter–deficient.

Finally, I examine whether the kinematics of dwarf galaxies can be explained by Verlinde's emergent gravity. For this goal, I compile the line-of-sight velocity dispersion profiles of 30 dwarf galaxies in the Local Group from the literature. I predict the gravitational acceleration from the stellar component within the emergent gravity and compare it with that from observations. The prediction with the emergent gravity show an agreement with the observation within the uncertainty. These results suggest that the emergent gravity can explain the galactic kinematics without introducing dark matter, even for less massive galaxies where dark matter is generally expected to dominate. This stands in sharp contrast to MOND, which requires a new interpolating function for dwarf galaxies to explain their kinematics without dark matter.

These projects offer complementary perspectives on the galaxy–dark matter connection: (1) the redshift evolution of the intrinsic alignment representing the imprint of the growth of large–scale structures of dark matter to galaxy, (2) the impact of the absence of dark matter in galaxy formation and evolution by exploring dark matter–deficient galaxies, and (3) understanding the kinematics of dark matter-dominated systems within alternative gravitational theory instead of dark matter. Taken together, our results advance our understanding for the connection between galaxy and dark matter in the Universe.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• List of Figures vii
• List of Tables x
• 1 Introduction 1
• 1.1 Dark Matter in Modern Cosmology 1
• 1.2 Connection between Galaxy and Dark Matter 3
• 1.3 Outline of the Thesis 8
• 2 Redshift Evolution of the Intrinsic Alignments 10
• 2.1 Introduction 10
• 2.2 Data 15
• 2.2.1 Horizon Run 5 Simulation 15
• 2.2.2 Early–type Galaxy Selection 16
• 2.3 Method 23
• 2.3.1 Shape Measurement 23
• 2.3.2 Two-point Statistics 26
• 2.3.3 NLA Model 27
• 2.4 Results 31
• 2.4.1 Sample Analysis 31
• 2.4.2 The Two-Point Correlation 32
• 2.4.3 IA Amplitude Parameter 44
• 2.5 Discussion 51
• 2.5.1 Comparison with Observations 51
• 2.5.2 Comparison with Other Simulations 54
• 2.5.3 Redshift Evolution 57
• 2.6 Conclusions 62
• 2.7 Appendix: Simple Inertia Tensor 64
• 2.8 Appendix: Grid–Locking 66
• 2.9 Appendix: A_NLA for Density-Limited Samples 68
• 3 Dark Matter–Deficient Galaxies 72
• 3.1 Introduction 72
• 3.2 Data 77
• 3.2.1 IllustrisTNG 77
• 3.2.2 Sample Selection 78
• 3.3 Results 85
• 3.3.1 Diverse evolutionary histories of DMDGs 85
• 3.3.2 Internal Properties 89
• 3.3.3 Environmental Effects 94
• 3.4 Discussion 100
• 3.4.1 Formation Channels 100
• 3.4.2 How special are DMDGs in comparison with normal galaxies? 102
• 3.5 Conclusions 105
• 4 Dwarf Galaxies with Emergent Gravity 107
• 4.1 Introduction 107
• 4.2 Data and Method 110
• 4.2.1 Properties and Stellar–Kinematic Data of Dwarf Spheroidal Galaxies 110
• 4.2.2 Determination of Observed Gravitational Acceleration 116
• 4.2.3 Prediction of the Gravitational Acceleration via Baryonic Components 119
• 4.3 Results 121
• 4.4 Discussion 127
• 4.5 Conclusions 133
• 5 Summary 135
• Bibliography 139
• 초록 162
• 감사의 글 164