[論文レビュー] 3D elemental abundances of stars at formation across the histories of Milky Way-mass galaxies in the FIRE simulations

Matthew A. Bellardini, Andrew Wetzel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 132被引用数 37

ひとこと要約

本研究では、FIRE-2宇宙論的シミュレーションを用いて、11個のミルキーウェイおよびM31質量銀河における星形成時の3次元元素組成（[Fe/H]、[Mg/H]、[Mg/Fe]）をモデル化する。時間経過に伴い、半径方向の組成勾配が急峻化し、方位角方向の散らばりが約11.6 Gyr前における~0.17 dexから現在の~0.04 dexに減少することが明らかになった。また、約8 Gyr前以降に形成された星は主に方位角方向の組成変動を示しており、銀河考古学における化学的タグ付けに重要な制約が得られた。

ABSTRACT

We characterize the 3-D spatial variations of [Fe/H], [Mg/H], and [Mg/Fe] in stars at the time of their formation, across 11 simulated Milky Way (MW)- and M31-mass galaxies in the FIRE-2 simulations, to inform initial conditions for chemical tagging. The overall scatter in [Fe/H] within a galaxy decreased with time until $\approx 7$ Gyr ago, after which it increased to today: this arises from a competition between a reduction of azimuthal scatter and a steepening of the radial gradient in abundance over time. The radial gradient is generally negative, and it steepened over time from an initially flat gradient $\gtrsim 12$ Gyr ago. The strength of the present-day abundance gradient does not correlate with when the disk `settled'; instead, it best correlates with the radial velocity dispersion within the galaxy. The strength of azimuthal variation is nearly independent of radius, and the 360 degree scatter decreased over time, from $\lesssim 0.17$ dex at $t_{ m lb} = 11.6$ Gyr to $\sim 0.04$ dex at present day. Consequently, stars at $t_{ m lb} \gtrsim 8$ Gyr formed in a disk with primarily azimuthal scatter in abundances. All stars formed in a vertically homogeneous disk, $\Delta$[Fe/H] $\leq 0.02$ dex within $1$ kpc of the galactic midplane, with the exception of the young stars in the inner $\approx 4$ kpc at $z \sim 0$. These results generally agree with our previous analysis of gas-phase elemental abundances, which reinforces the importance of cosmological disk evolution and azimuthal scatter in the context of stellar chemical tagging. We provide analytic fits to our results for use in chemical-tagging analyses.

研究の動機と目的

• ミルキーウェイ質量銀河における星形成時の3次元的空間的組成分布を特徴づけること。
• 宇宙時間の経過に伴う半径方向、垂直方向、方位角方向の組成変動の変化を定量化すること。
• 銀河考古学における化学的タグ付けの改善を目的として、初期の組成条件に対する解析的フィットを提供すること。
• 星がその周囲のガスと同等の組成を持つという仮定を検証し、形成時の出生条件における方位角方向の散らばりの役割を評価すること。
• 化学的タグ付けにおいて方位角方向の組成均一性が有効であるとみなせるようになる遷移時刻を特定すること。

提案手法

• 高解像度の流体力学と星形成反動を備えたFIRE-2宇宙論的シミュレーション・スイートを用いて、11個のミルキーウェイおよびM31質量銀河をシミュレートする。
• ガス相の元素強化モデルを用いて、星が形成された時点での元素組成（[Fe/H]、[Mg/H]、[Mg/Fe]）を追跡する。
• 異なるリッケーブ時間と銀河中心からの半径において、半径方向、垂直方向、方位角方向の組成散らばりを測定する。
• 分段的線形関数を半径方向組成プロファイルにフィットして、勾配の進化を定量化する。
• 星の組成散らばりとガス相の散らばりを比較することで、星-ガス組成同等性仮定の妥当性を評価する。
• 化学的タグ付けモデルへの応用を想定し、リッケーブ時間関数としての半径方向勾配および方位角散らばりの解析的フィットを導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイ質量銀河において、星の元素組成の半径方向、垂直方向、方位角方向の勾配は、時間経過とともにどのように変化するか？
• RQ2 星の方位角方向組成散らばりが減少する時間スケールは何か？また、ガス相の散らばりと比較するとどうなるか？
• RQ3 半径方向および方位角方向の組成変動の強さは、銀河の運動学的特性および構造的進化とどのように相関するか？
• RQ4 異なる時期に形成された星は、3次元空間において、均一な還元的分布を示すか、不均一な分布を示すか？
• RQ5 どのリッケーブ時間において、化学的タグ付けの仮定としての方位角方向の組成均一性が有効とみなせるか？

主な発見

• [Fe/H]の半径方向組成勾配は、初期には平坦（12 Gyr以上前）であり、時間経過とともに急峻化し、約7 Gyr前ごろに最も負の値を示した後、現在にかけてわずかに平坦化した。
• 方位角方向の[Fe/H]散らばりは、11.6 Gyr前における約0.17 dexから現在の約0.04 dexに減少しており、これは8 Gyr以降に形成された星が主に方位角方向の組成変動を示す、すなわち、星形成時に主に方位角方向の不均一性を示す銀河ディスクに生まれたことを示している。
• 垂直方向の組成勾配は最小限であり、中間面から1 kpc以内では∆[Fe/H] ≤ 0.02 dexであったが、内側約4 kpcでは若い星にわずかな垂直勾配が見られた。
• 現在の半径方向組成勾配の強さは、ディスクが安定化した時刻よりも、銀河の半径方向速度分散と最もよく相関していた。
• 大規模なリッケーブ時間および大規模な半径領域において、星の方位角散らばりはガス相よりも系統的に小さく、星形成ガスはその生成物である星よりも空間的に不均一であることが示唆された。
• 星の方位角方向組成均一性の遷移リッケーブ時間は約8 Gyr前であり、ガスのそれよりも約1 Gyr早く、星はその親ガスよりも空間的に均一な組成で形成されていることが示された。