[論文レビュー] Cold accretion flows and chemical bimodality of the Milky Way galaxy

Masafumi Noguchi|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、冷たい降着流——銀河ディスクに直接落下する加熱されていない原始ガス——が、のちに観測された化学的二峰性を説明すると提案している。最初の星形成期は真の冷たい流れによって駆動され、高[α/Fe]星を生成する。その後、加熱されたガスの遅い冷却段階が続くことで、低[α/Fe]星が生成され、自然に二峰性分布と空間的濃度勾配が説明できる。

ABSTRACT

Abundance of chemical elements in the stars provides important clues regarding galaxy formation. The most powerful diagnostics is the relative abundance of α-elements (O, Mg, Si, S, Ca, and Ti) with respect to iron (Fe), [α/Fe], each of which is produced by different kinds of supernovae. The existence of two distinct groups of stars in the solar neighbourhood, one with high [α/Fe] and another with low [α/Fe], suggests that the stars in the solar vicinity have two different origins. However, the specific mechanism of the realization of this bimodality is unknown. Here, we show that the cold flow hypothesis recently proposed for the accretion process of primordial gas onto forming galaxies predicts two episodes of star formation separated by a hiatus 6-7 Gyr ago and naturally explains the observed chemical bimodality. We found that the first phase of star formation that forms high [α/Fe] stars is caused by the 'genuine' cold flow, in which unheated primordial gas accretes to the galactic disk in a freefall fashion. The second episode of star formation that forms low [α/Fe] stars is sustained by much slower gas accretion as the once-heated gas gradually cools by radiation. The cold flow hypothesis can also explain the large-scale variation in the abundance pattern observed in the Milky Way galaxy in terms of the spatial variation of gas accretion history.

研究の動機と目的

• 太陽系近傍の星の[α/Fe]の二峰性分布を観測的に説明するため、銀河の星族における観測された化学的二峰性の起源を解明すること。
• 冷たい降着流が、高[α/Fe]比と低[α/Fe]比を示す二つの異なる星族を説明できるかを調査すること。
• 銀河ディスク全体における濃度パターンの空間的変動を、ガス降着歴の違いによってどのように説明できるかを検討すること。
• 6–7 Gyrの間隔をあける二つの明確に分離された星形成エピソードが、異なる降着モードによって駆動されているという仮説を検証すること。

提案手法

• 加熱されていないガスが銀河ディスクに自由落下する冷たい流れ仮説を用いて、原始ガスの降着をモデル化すること。
• 初期の冷たい流れ降着から、事前に加熱されたガスの遅い冷却段階への移行をシミュレートすること。
• 超新星の降着量をモデル化することで化学的増幅歴を追跡：α要素はタイプII超新星、鉄はタイプIa超新星が[α/Fe]比を決定する。
• 流体力学的シミュレーションを用いて、時間経過に伴うガスの温度、密度、金属量の変化を追跡すること。
• 太陽系近傍の観測星データと、半径方向の濃度勾配と照らし合わせて、シミュレートされた[α/Fe]分布を比較すること。
• ガス降着歴の空間的変動を分析し、銀河ディスク全体における観測された濃度パターンを説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷たい降着流が、自然に銀河内で高[α/Fe]比と低[α/Fe]比を示す二つの異なる星族を生成できるか？
• RQ2 観測された化学的二峰性を引き起こす二つの星形成期を分離する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 冷たい流れ降着から加熱ガスの遅い冷却への移行が、星形成の6–7 Gyrの間隔をどのように説明できるか？
• RQ4 銀河全体における[α/Fe]の空間的変動は、局所的なガス降着歴の違いによってどの程度説明できるか？
• RQ5 冷たい流れモデルは、太陽系近傍での観測された半径方向の濃度勾配と二峰性分布を再現できるか？

主な発見

• 冷たい流れ仮説は、太陽系近傍における観測された[α/Fe]の二峰性分布をうまく再現し、二つの明確に分離された星族を生成した。
• 真の冷たい流れによって駆動される最初の星形成期は、タイプII超新星による急速かつ早期の増幅によって高[α/Fe]星を生成する。
• 事前に加熱されたガスの遅い冷却に支えられる第二の星形成期は、タイプIa超新星による遅延鉄増幅によって低[α/Fe]星を生成する。
• モデルは、冷たい流れから加熱ガスの降着への移行に伴い自然に生じる、二つのエピソードの間の6–7 Gyrの間隔を説明できる。
• 銀河ディスク全体における濃度パターンの空間的変動は、モデルが予測する局所的なガス降着歴の違いによって一貫して説明できる。
• モデルは、外部要因や複雑な合体歴を仮定せず、二峰性と大規模な半径方向傾向の両方を自己整合的に説明できる。