Ludwig–Maximilians–Universit¨at The Formation of Dark Matter Halos and High-Redshift Galaxies Dissertation an der Fakult¨at f¨ur Physik der Ludwig–Maximilians–Universit¨at M¨unchen f¨ur den Grad des Doctor rerum naturalium vorgelegt von Shy Genel aus Herzliya, Israel M¨unchen, den 16.12.2010 Erstgutachter: Prof. Dr. Reinhard Genzel Zweitgutachter: Prof. Dr. Andreas Burkert Tag der m¨undlichen Pr¨ufung: 11.03.2011 To my grandmother and my parents iÜedÐe iÞaÕÐ Die 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 aufzusp¨uren; Man bohrt ein Loch und spannt sie ins Joch, Ins Joch von seidenen Schn¨uren. 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 Sterne Contents 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 Cosmicstructureformation . 15 1.1.3 Modeling galaxy formation . 16 1.2 High-redshiftgalaxies. 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 Thephysicsofmergers . 24 1.3.2 Mergerrates............................... 25 1.3.2.1 Observations ......................... 25 1.3.2.2 Theory ............................ 26 1.4 Star-formation feedback in galaxy formation . ........ 27 1.5 Thecurrentwork ................................ 28 1.5.1 Motivation................................ 28 1.5.2 Thesisoverview............................. 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 Constructingnewhalomergertrees . 34 2.3.3 Definitionsofthemergerrate . 39 2.4 Results...................................... 41 2 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 Comparisontopreviouswork . 48 2.5.1 Comparison to Fakhouri & Ma (2008) . 48 2.5.2 ComparisontotheEPSmodel. 51 2.5.3 Theroleofthehalomassdefinition . 52 2.6 Comparisontoobservations . 58 2.7 Summaryanddiscussion ............................ 62 3 Dark matter halo growth: evidence for smooth accretion 65 3.1 Abstract..................................... 65 3.2 Introduction................................... 66 3.3 Analysisofmergertrees ............................ 67 3.3.1 Method ................................. 67 3.3.2 Resultsfromthemergertrees . 69 3.3.2.1 Themergerrate ....................... 69 3.3.2.2 Halogrowthmodes. 71 3.3.2.3 ComparisontotheEPSmodel . 72 3.4 Analysisofparticlehistories . 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 Comparisontopreviouswork . 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 Constructingnewmergertrees. 91 4.4 Galaxies at z 2................................ 92 ≈ 4.4.1 SINSgalaxies .............................. 94 4.4.2 SMGs .................................. 96 4.5 Fate at z =0 .................................. 96 4.5.1 Fate of SINS galaxies . 96 4.5.2 FateofSMGs .............................. 96 4.6 Summary .................................... 99 CONTENTS 3 5 Short-lived giant clumps in z 2 disks 101 5.1 Abstract.....................................≈ 101 5.2 Introduction................................... 101 5.3 TheSimulations:CodeandSetup . 103 5.4 Results...................................... 104 5.5 Comparisontoobservations . 109 5.6 Summaryanddiscussion ............................ 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 145 4 CONTENTS List of Figures 1.1 Clumpy z 2galaxies ............................. 19 ≈ 1.2 SINSgalaxies .................................. 20 1.3 Continuum and Hα clumps........................... 21 2.1 TemporaryFOFgroups ............................ 35 2.2 Massfunctionscomparison. 38 2.3 Themergerrateperprogenitorhalo. 40 2.4 The major merger rate per progenitor halo . ..... 43 2.5 The major merger rate per descendant halo . 44 2.6 Comparing merger tree construction algorithms as a function of mass ratio 49 2.7 Comparing merger tree construction algorithms for minor mergers . 50 2.8 ComparisontotheEPSmodel......................... 53 2.9 Comparing halo mass definitions for approaching mergers . ......... 55 2.10 Comparing the merger rate with different halo mass definitions....... 56 2.11 The role of environment in the comparison of halo mass definitions . 57 2.12 Mean mass growth histories for halos that are about to undergo a merger . 59 2.13 The merger fraction as a function of redshift . ....... 61 3.1 Themergerrateperunittime . 70 3.2 The relative contribution of mergers as a cumulative function of mass ratio 73 3.3 The ratio of the merger rate predicted from EPS to our globalfit ..... 74 3.4 The fraction of the particles originating from the three accretion modes . 77 3.5 The fraction of the three modes in the net accretion . ........ 79 3.6 The ratio of the gross inflow rate to the net growth rate . ....... 80 3.7 Comparison of the contribution of the accretion modes with different trees 81 3.8 Comparison of different simulations and halo definitions . ......... 82 3.9 The fraction of mass accretion that arrives smoothly . ....... 85 4.1 Halos and galaxies in the mass-accretion rate plane . ...... 93 4.2 Comparison of dark matter accretion rates and SFRs . ...... 95 4.3 Thenumberoffuturemajormergers . 97 4.4 Mass growth to z =0.............................. 98 5.1 Global properties of six ’zoom-in’ simulations at z =2 ........... 105 6 LIST OF FIGURES 5.2 Gas properties of the central galaxy s224 at z =2.............. 106 5.3 Clump evolution with and without winds . 110 5.4 Mock Hα lineobservations........................... 111 5.5 Mockcontinuumobservations . 112 B.1 Mass and spatial evolution of subhalos . 124 B.2 Spatial subhalo separations before disruption . ....... 127 B.3 The fraction of ’open-ended’ mergers . 128 List of Tables 2.1 Mergerscenarios ................................ 36 2.2 Fitsforthemergerrate. .. .. .. .. ... .. .. .. .. .. ... .. 42 4.1 Properties of galaxy samples at z 2..................... 90 ≈ 5.1 Galaxyandclumpproperties . 107 8 LIST OF TABLES Zusammenfassung Im ΛCDM Modell der Kosmologie enstehen Galaxien in den Zentren von Dunkle-Materie Halos und verschmelzen miteinander, folgend der Verschmelzungen ihrer Wirtshalos. Aus- gegend von dieser Grundannahme, quantifizieren wir die Wachstumsmechanismen Dunkler- Materie Halos. Dazu analysieren wir diverse große Vielk¨orper-Simulationen des Wachs- tums und der Entwicklung kosmischer Strukturen. Wir entwickeln einen neuartigen Ver- schmelzungsbaumbaualgorithmus, der in geeigneter Weise die Fragmentation der Halos ber¨ucksichtigt. In unseren Untersuchungen finden wir, dass sich die Verschmelzungsrate stark mit der Rotverschiebung ¨andert, aber nur wenig abh¨angig ist von der Masse. Weit- erhin finden wir eine universelle Proportionalit¨at zwischen Verschmelzungen verschiedener Massenquotienten (z.B. ”Major-” und ”Minor-Mergers”, d.h. Verschmelzungen von Ha- los mit ¨ahnlichen bzw. stark unterschiedlichen Massen). Wir zeigen auch, dass die Ver- schmelzungsrate pro Vorl¨auferhalo (bezogen auf zuk¨unftige Verschmelzungen und auf die Anzahl von Galaxienpaaren) kleiner ist als die Verschmelzungsrate pro Nachkommehalo (bezogen auf vergangene Verschmelzungen und die Anzahl von Galaxien mit unregelm¨aßigen Morphologien). Weiterhin unterscheiden sie sich in ihren Abh¨angigkeiten von Rotver- schiebung und Masse. Innerhalb der begrenzten Aufl¨osung der Simulation finden wir, dass nur 60% der von Halos akkretierten Masse aus Verschmelzungen stammt. Der Funktionsverlauf≈ der Verschmelzungsrate allerdings deutet darauf hin, dass der gesamte Anteil von Verschmelzungen nicht h¨oher als dieser Wert ist. Mithilfe der Analyse von vollst¨andigen Teilchenentwicklungshistorien best¨atigen wir, dass ein signifikanter Anteil der Halo-Teilchen aus gleichm¨aßiger Akkretion entstammt. Das hat wichtige Implikatio- nen f¨ur die Gleichm¨aßigkeit der Akkretion von Gas. Scheibengalaxien bei z 2 haben hohe Sternentstehungsraten, zeigen aber gleichzeitig eine geordnete Rotation - indikativ≈ f¨ur eine geringe Verschmelzungsaktivit¨at. Wir verwen- den eine große Dunkle-Materie-Simulation um zu zeigen, dass sogar nicht-verschmelzende Halos bei z 2 schnell genug wachsen, um die beobachteten hohen Sternentstehungsraten zu erkl¨aren.≈ Zudem