[論文レビュー] Birth of the Galactic Disk Revealed by the H3 Survey

Charlie Conroy, David H. Weinberg+13 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2022

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 36

ひとこと要約

本論文はH3サーベイ分光学とGaiaデータを用いて、in-situ対 accreted星を識別し、非単調な [alpha/Fe] vs [Fe/H] の軌跡を明らかにし、銀河系ディスクの誕生を示す星形成効率の劇的上昇を推定して z約4 の時期を示唆する。

ABSTRACT

We use chemistry ([alpha/Fe] and [Fe/H]), main sequence turnoff ages, and kinematics determined from H3 Survey spectroscopy and Gaia astrometry to identify the birth of the Galactic disk. We separate in-situ and accreted stars on the basis of angular momenta and eccentricities. The sequence of high-alpha in-situ stars persists down to at least [Fe/H]=-2.5 and shows unexpected non-monotonic behavior: with increasing metallicity the population first declines in [alpha/Fe], then increases over the range -1.3<[Fe/H]<-0.7, and then declines again at higher metallicities. The number of stars in the in-situ population rapidly increases above [Fe/H]=-1. The average kinematics of these stars are hot and independent of metallicity at [Fe/H]<-1 and then become increasingly cold and disk-like at higher metallicities. The ages of the in-situ, high-alpha stars are uniformly very old (13 Gyr) at [Fe/H]<-1.3, and span a wider range (8-12 Gyr) at higher metallicities. Interpreting the chemistry with a simple chemical evolution model suggests that the non-monotonic behavior is due to a significant increase in star formation efficiency, which began 13 Gyr ago. These results support a picture in which the first 1 Gyr of the Galaxy was characterized by a "simmering phase" in which the star formation efficiency was low and the kinematics had substantial disorder with some net rotation. The disk then underwent a dramatic transformation to a "boiling phase", in which the star formation efficiency increased substantially, the kinematics became disk-like, and the number of stars formed increased tenfold. We interpret this transformation as the birth of the Galactic disk at z~4. The physical origin of this transformation is unclear and does not seem to be reproduced in current galaxy formation models.

研究の動機と目的

• 化学成分、運動量・運動、年齢を用いて、銀河系の現地起源（in-situ）と accreted（獲得）星間集団を識別する。
• 広い金属量範囲にわたる高-α現地起源集団を特徴づけ、ディスク形成の歴史を理解する。
• 観測された元素 abundanceパターンを化学的進化モデルで解釈し、星形成史とディスク誕生時期を推定する。

提案手法

• H3分光とGaiaの天体位置測定を用いて [Fe/H], [alpha/Fe], 距離および運動を導出する。
• 軌道パラメータ（離心率 e および角運動量 LZ）によって現地起源と獲得サンプルを定義する。
• MINESweeperパイプラインを用いて、4–14 Gyrのフラットな年齢事前分布で主系列ターンオフと副巨星星の年齢を推定する。
• 現地起源高-α系列の運動傾向（V_phi、sigma_Vz）と金属量分布を計算する。
• 簡易な化学進化モデル（VICE）を固定された流入・流出パラメータで適用し、[alpha/Fe]-[Fe/H]軌跡を星形成効率（SFE）の観点で解釈する。
• SFE主導の非単調軌跡の頑健性を検証するため、モデルパラメータの変動を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河系の現地起源（in-situ）と獲得（accreted）星に関する化学的・運動学・年齢の特徴は何か。
• RQ2 高-α現地起源集団は金属量とともに非単調な化学進化を示すか。ディスク形成史に何を意味するか。
• RQ3 変化する星形成効率を持つ化学進化モデルは、観測された [alpha/Fe] vs [Fe/H] 軌跡を再現し、銀河ディスクがいつ形成されたかを示せるか。
• RQ4 銀河ディスク誕生を示す時代と物理的変容は何か。

主な発見

• 高-α現地起源系列は [Fe/H] ~ -2.5 まで広がり、非単調な [alpha/Fe] の進化を示す: [Fe/H] ~ -1.3 へ低下、-0.7 付近で上昇、より金属量が高い領域で再び低下。
• 現地起源高-α集団は [Fe/H] < -1.3 で圧倒的に年齢が古く（平均約13 Gyr）、金属量が高くなるにつれて年齢は徐々に若くなる（8–12 Gyr）。
• およそ13 Gyr前の星形成効率の急激な上昇が非単調な軌跡を説明し、物質が煮えたぎるフェーズへ移行してディスク様の運動学と星形成の十倍の上昇をもたらした。
• 変容は z ~ 4 での銀河ディスクの誕生と解釈されるが、現在のモデルではこの起源を完全には再現していない。