[論文レビュー] Bimodality of [\alpha/Fe]-[Fe/H] distributions in Milky Way-type galaxies with thick and thin discs

Sergey Khoperskov, M. Haywood+6 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、自己無撞着な化学力学的シミュレーションを用いて、銀河系型銀河における二峰性[$\alpha$/Fe]-[Fe/H]分布が、二つの異なる形成段階に起因することを示している。最初の段階は、星形成爆発によって急速に$\alpha$元素が豊かになる、初期の乱流的でコンパクトなディスクであり、高$\alpha$系列を形成する。二番目の段階は、遅れて発生する静穏的で拡張したディスクで、ゆっくりとしたガス降着によって低$\alpha$系列が形成される。二峰性は、ガス密度環境の違いによって駆動されており、合体歴とは無関係である。これは、ディスク銀河において広く見られる特徴である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present a set of self-consistent chemo-dynamical simulations of MW-type galaxies formation to study the origin of the bimodality of $\alpha$-elements in stellar populations. We explore how the bimodality is related to the geometrically and kinematically defined stellar discs, gas accretion and radial migration. We find that the two $\alpha$-sequences are formed in quite different physical environments. The high-$\alpha$ sequence is formed early from a burst of star formation (SF) in a turbulent, compact gaseous disc which forms a thick disc. The low-$\alpha$ stellar populations is the result of quiescent SF supported by the slow accretion of enriched gas onto a radially extended thin disc. Stellar feedback-driven outflows during the formation of the thick disc are responsible for the enrichment of the surrounding gaseous halo, which subsequently feeds the disc on a longer time-scale. During the thin disc phase, chemical evolution reaches an equilibrium metallicity and abundance, where the stars pile-up. This equilibrium metallicity decreases towards the outer disc, generating the ridgeline that forms the low-$\alpha$ sequence. We identify a second mechanism capable of creating a low-$\alpha$ sequence in one of our simulations. Rapid shutdown of the SF, provoked by the feedback at the end of the thick disc phase, suppresses the chemical enrichment of the halo gas, which, once accreted onto the star-forming disc, dilutes the ISM at the beginning of the thin disc formation. Both mechanisms can operate in a galaxy, but the former is expected to occur when SF efficiency ceases to be dominated by the formation of the thick disc, while the latter can occur in the inner regions. Being the result of the presence of low and high gas density environments, the bimodality is independent of any particular merger history, suggesting that it could be much more widespread than has been claimed.

研究の動機と目的

• 銀河系型銀河で観測される二峰性[$\\alpha$/Fe]-[Fe/H]分布の起源を理解すること。
• 幾何的・運動的ディスク構造、ガス降着、および半径方向の移動が、高$\\alpha$および低$\\alpha$星族の形成に与える影響を調査すること。
• 二峰性が合体歴に起因するのか、それともディスク形成の内的物理的プロセスに起因するのかを特定すること。
• 厚いディスクと薄いディスクの星族間の化学的分離を引き起こす物理的メカニズムを同定すること。

提案手法

• 銀河系型銀河形成の自己無撞着な化学力学的シミュレーションを用いて、星形成、ガス力学、化学的進化をモデル化する。
• 星形成、星の反動、およびアウトフローを含む、ガス、星、金属量の進化を追跡する。
• 径方向移動と星形成効率の変動を組み込み、化学組成パターンに与える影響を評価する。
• 低$\alpha$系列形成のための二つの異なるメカニズムをテストする：(1) ハローからの豊富な金属を含むガスのゆっくりとした降着、および (2) 厚いディスクの星形成反動が停止した後に、金属の豊かでないガスによる希釈。
• 高$\alpha$（初期の、コンパクトで乱流的なディスク）と低$\alpha$（遅れて発生する、拡張した静穏的ディスク）の形成環境を明確に区別する。
• 空間的および運動的ボックスに分けて化学組成パターンを分析し、低$\alpha$系列のリッジラインおよび二峰性構造を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系型銀河における高$\alpha$星族の形成にどのような物理的条件が必要か？
• RQ2 低$\alpha$系列はどのように形成され、その化学的平衡と半径方向金属量勾配を支配するプロセスは何か？
• RQ3 二峰性[$\alpha$/Fe]-[Fe/H]分布は、合体歴にどの程度依存しているのか？
• RQ4 複数のメカニズムが低$\alpha$系列を形成可能であり、それらがどのような条件下で作用するのか？

主な発見

• 高$\alpha$系列は、星形成爆発によって急速に$\alpha$元素が豊かになる、初期の乱流的でコンパクトなガスディスクで形成される。
• 低$\alpha$系列は、ゆっくりとしたガス降着によって供給される、半径方向に拡張した薄いディスクでの静穏的星形成によって生じる。
• 厚いディスク形成期の星の反動により、ガスハローが豊かに酸化され、後に薄いディスクに供給され、化学的平衡を維持する。
• 低$\alpha$系列は、ガス供給の半径勾配に起因して外側ディスクに向かって平衡金属量が低下するため、リッジラインを形成する。
• 低$\alpha$系列形成の第二のメカニズムが存在する：星形成の急速な停止により、ハローの酸化が抑制され、ISMの希釈が生じ、$\alpha$元素の過剰が低下する。
• 二峰性は合体歴とは無関係であり、ガス密度環境の違いによって生じる。これは、ディスク銀河において一般的な特徴である可能性を示唆している。