[論文レビュー] Characterizing the Infall Times and Quenching Timescales of Milky Way Satellites with $Gaia$ Proper Motions

Sean P. Fillingham, Michael C. Cooper+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用数 30

ひとこと要約

本研究では、ガイヤDR2の固有運動と宇宙論的シミュレーションを用いて、37個の銀河系衛星銀河の降着時と停止時刻を制限する。その結果、約70％の古典的衛星は降着後に急速に停止する（τ_quench ≲ 2 Gyr）ことが判明したが、超微弱矮星は再イオン化による初期の停止の兆候を示しており、M⋆ ≲ 10⁵ M☉の質量スケールで遷移が起こっていることを支持する。

ABSTRACT

Observations of low-mass satellite galaxies in the nearby Universe point towards a strong dichotomy in their star-forming properties relative to systems with similar mass in the field. Specifically, satellite galaxies are preferentially gas poor and no longer forming stars, while their field counterparts are largely gas rich and actively forming stars. Much of the recent work to understand this dichotomy has been statistical in nature, determining not just that environmental processes are most likely responsible for quenching these low-mass systems but also that they must operate very quickly after infall onto the host system, with quenching timescales $\lesssim 2~ { m Gyr}$ at ${M}_{\star} \lesssim 10^{8}~{ m M}_{\odot}$. This work utilizes the newly-available $Gaia$ DR2 proper motion measurements along with the Phat ELVIS suite of high-resolution, cosmological, zoom-in simulations to study low-mass satellite quenching around the Milky Way on an object-by-object basis. We derive constraints on the infall times for $37$ of the known low-mass satellite galaxies of the Milky Way, finding that $\gtrsim~70\%$ of the `classical' satellites of the Milky Way are consistent with the very short quenching timescales inferred from the total population in previous works. The remaining classical Milky Way satellites have quenching timescales noticeably longer, with $τ_{ m quench} \sim 6 - 8~{ m Gyr}$, highlighting how detailed orbital modeling is likely necessary to understand the specifics of environmental quenching for individual satellite galaxies. Additionally, we find that the $6$ ultra-faint dwarf galaxies with publicly available $HST$-based star-formation histories are all consistent with having their star formation shut down prior to infall onto the Milky Way -- which, combined with their very early quenching times, strongly favors quenching driven by reionization.

研究の動機と目的

• ガイヤDR2の固有運動測定値を用いて、銀河系衛星銀河の降着時を特定すること。
• 降着時とハッブル宇宙望遠鏡（HST）ベースの星形成歴を組み合わせることで、個々の衛星の停止時刻を制限すること。
• 低質量矮星において、環境的停止か再イオン化による停止が支配的かを検証すること。
• より良い軌道制約を用いて個々の対象に統計的停止モデルを適用し、その妥当性を評価すること。
• 再イオン化が超微弱矮星における支配的停止機構となる質量スケールを特定すること。

提案手法

• サブハローの束縛エネルギーと降着時を対応付けるために、高解像度で宇宙論的ズームインシミュレーションであるPhat ELVISスイートを用いる。
• 位置と速度の6次元軌道情報（6D）を用いた位相空間ベースの手法を適用し、半径速度のみの手法よりも精度を向上させる。
• フリッツら（2018）によるガイヤDR2の固有運動測定値と、シミュレートされた軌道軌跡を組み合わせ、各衛星の最も妥当な降着時を推定する。
• ハッブル宇宙望遠鏡（HST）ベースの星形成歴（SFH）を用いて、300 kpc圏内の37個の衛星について、降着に相対する停止時刻を特定する。
• 推定された停止時刻を、環境的停止と再イオン化による停止の理論的モデルと比較する。
• シミュレートされたサブハローを用いて手法の妥当性を検証した。その結果、接線方向速度を含めることで、降着時推定における悲観的失敗率が約30％から約20％に低下した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガイヤDR2の固有運動によって制限された個々の銀河系衛星銀河の降着時刻は何か？
• RQ2 古典的矮星と超微弱矮星の停止時刻は、降着後に約2 Gyrで急速に停止するという予測と一致するか？
• RQ3 超微弱矮星の停止は、環境的プロセスではなく再イオン化によるものである可能性はどの程度高いか？
• RQ4 観測された停止行動は、M⋆ ≲ 10⁵ M☉の質量スケールで停止機構の転換が起こっていることを支持するか？
• RQ5 個々の物体に対する軌道モデリングは、以前の統計的研究で見られた停止時刻の不一致を解消できるか？

主な発見

• 古典的銀河系衛星の約70％が、降着後に急速な環境的停止（τ_quench ≲ 2 Gyr）と整合する停止時刻を持つことが判明した。
• 残りの古典的衛星は著しく長い停止時刻（τ_quench ≈ 6–8 Gyr）を示しており、正確な停止時刻推定には詳細な軌道モデリングが不可欠であることが示された。
• 利用可能なHSTベースのSFHを持つ6個の超微弱矮星すべてが、降着よりも前に停止していることを示しており、再イオン化による停止が支配的であると支持される。
• 超微弱矮星の推定された停止時刻は、M⋆ ≲ 10⁵ M☉の臨界質量スケールと整合しており、この質量未満では再イオン化が星形成を効果的に抑制することがわかる。
• M⋆ < 10⁸ M☉の衛星についての降着時と停止時の統合的分析から、内部フィードバックや自己停止機構を導入する必要がないことがわかった。
• 降着時推定に接線方向速度を含めることで、降着時推定における悲観的失敗率が約30％から約20％に低下し、軌道制約の信頼性が向上した。