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Galaxy formation and evolution in the millennium simulation [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Manfred Georg Kitzbichler

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Galaxy formation and evolution in theMillennium SimulationDissertation der Fakulta¨t fu¨r PhysikderLudwig-Maximilians-Universita¨t Mu¨nchenvorgelegt von Manfred Georg Kitzbichler¨aus Erl, Tirol, OsterreichMu¨nchen, den 1. Juni 2007Galaxy formation and evolution in theMillennium SimulationDissertation der Fakulta¨t fu¨r PhysikderLudwig-Maximilians-Universita¨t Mu¨nchenvorgelegt von Manfred Georg Kitzbichler¨aus Erl, Tirol, OsterreichMu¨nchen, den 1. Juni 2007Erstgutachter: Prof. Dr. Simon D. M. WhiteZweitgutachter: Prof. Dr. Ralf BenderPromotionskommissionVorsitzender: Prof. Dr. Otmar Biebel1. Pru¨fer: Prof. Dr. Simon D. M. White¨2. Prufer: Prof. Dr. Martin Faessler (i.V. Prof. Bender)Weiterer Pru¨fer: Prof. Dr. Harald WeinfurterTag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 20. Mai 2008Fu¨r meine ElternPeter und KatharinaContentsZusammenfassung (German) 5Summary 71 Introduction 91.1 The Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2 Linear growth of structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.3 Formation of dark-matter haloes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.4 Gas cooling and galaxy formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 The model 232.1 The Millennium Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 The semi-analytic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.1 Gas infall and cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.2 Reionisation . . . . . . . . . . . .

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Published 01 January 2007
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Language English
Document size 5 MB

Galaxy formation and evolution in the
Millennium Simulation
Dissertation der Fakulta¨t fu¨r Physik
der
Ludwig-Maximilians-Universita¨t Mu¨nchen
vorgelegt von Manfred Georg Kitzbichler
¨aus Erl, Tirol, Osterreich
Mu¨nchen, den 1. Juni 2007Galaxy formation and evolution in the
Millennium Simulation
Dissertation der Fakulta¨t fu¨r Physik
der
Ludwig-Maximilians-Universita¨t Mu¨nchen
vorgelegt von Manfred Georg Kitzbichler
¨aus Erl, Tirol, Osterreich
Mu¨nchen, den 1. Juni 2007
Erstgutachter: Prof. Dr. Simon D. M. White
Zweitgutachter: Prof. Dr. Ralf Bender
Promotionskommission
Vorsitzender: Prof. Dr. Otmar Biebel
1. Pru¨fer: Prof. Dr. Simon D. M. White
¨2. Prufer: Prof. Dr. Martin Faessler (i.V. Prof. Bender)
Weiterer Pru¨fer: Prof. Dr. Harald Weinfurter
Tag der mu¨ndlichen Pru¨fung: 20. Mai 2008Fu¨r meine Eltern
Peter und KatharinaContents
Zusammenfassung (German) 5
Summary 7
1 Introduction 9
1.1 The Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 Linear growth of structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 Formation of dark-matter haloes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4 Gas cooling and galaxy formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 The model 23
2.1 The Millennium Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.2 The semi-analytic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Gas infall and cooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.2 Reionisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.3 Star formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.4 Supernova feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.5 Black hole growth, AGN outflows, and cooling suppression 29
2.2.6 The importance of feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.7 Dust treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.3 Lightcones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.1 Spatial replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.3.2 Magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.3 Geometry in curved space-time . . . . . . . . . . . . . . . 41
3 PLE: Missing Bright Galaxies at High Redshift 45
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2 The Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.1 From the local LF to the models . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.2.2 The K-band LF as a consistency test . . . . . . . . . . . . . 52
3.3 Comparison of K-band Selected Redshift Distributions . . . . . . . 54
3.4 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1Contents
4 High redshift galaxies 63
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2 The Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.1 The Millennium dark matter simulation . . . . . . . . . . . 66
4.2.2 The basic semi-analytic model . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.2.3 Improved dust treatment for the fiducial model . . . . . . . 67
4.2.4 Making mock observations: lightcones . . . . . . . . . . . 69
4.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Number Counts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Redshift Distributions for K-selected samples . . . . . . . . 77
4.3.3 Luminosity Function evolution . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.3.4 The evolution of the stellar mass function . . . . . . . . . . 83
4.3.5 The evolution of the colour-magnitude relation . . . . . . . 86
4.4 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5 Galaxy pairs 91
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.1 The Millennium N-body simulation . . . . . . . . . . . . . 94
5.2.2 The semi-analytic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.3 Merger rates and pair counts . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2.4 Fiducial merger rates of DM haloes and galaxies . . . . . . 98
5.2.5 Dependence on mass and luminosity . . . . . . . . . . . . . 100
5.2.6 The mock lightcone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.1 Finding pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.3.2 Identifying mergers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.1 Redshift distribution of pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.4.2 The average merging time of galaxy pairs . . . . . . . . . . 110
5.4.3 Completeness and contamination . . . . . . . . . . . . . . 113
5.4.4 Distribution of merging times . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.4.5 Pair versus merger fraction evolution . . . . . . . . . . . . 117
5.5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6 Conclusions 123
6.1 Discussion of results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
A Appendix 127
A.1 Possible improvements to the model . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2Contents
A.1.1 Star formation in satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
A.1.2 Disk sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.1.3 Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.1.4 Gas recycling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
A.2 WMAP 3rd year cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Acknowledgements 135
Curriculum Vitae 137
Bibliography 141
3Contents
4