[論文レビュー] Downsizing revised: Star formation timescales for elliptical galaxies with an environment-dependent IMF and number of SNIa

Zhiqiang Yan, Tereza Jeřabková+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 167被引用数 45

ひとこと要約

本稿は、IGIMF理論を用いて環境依存型初期質量関数（IMF）を適用することで、巨大楕円銀河における縮小パラドックスを解消した。SNIaの単位星質量あたりの生成数がより大きな銀河で増加する場合、星形成時​​間スケール（SFT）が星形成合成（SPS）モデルと整合的になることが示された。主な結果として、星質量が約10⁹.⁵M⊙の銀河ではSFTが約2 Gyrにピークに達し、高密度の星団からのSNIa生成が促進されることで、より大きな銀河ではより速い星形成が実現している。

ABSTRACT

Previous studies of the stellar mean metallicity and [Mg/Fe] values of massive elliptical (E)~galaxies suggest that their stars were formed in a very short timescale which cannot be reconciled with estimates from stellar population synthesis (SPS) studies and with hierarchical-assembly. Applying the previously developed chemical evolution code, GalIMF, which allows an environment-dependent stellar initial mass function (IMF) to be applied in the integrated galaxy initial mass function (IGIMF) theory instead of an invariant canonical IMF, the star formation timescales (SFT) of E galaxies are re-evaluated. The code's uniqueness lies in it allowing the galaxy-wide IMF and associated chemical enrichment to evolve as the physical conditions in the galaxy change. The calculated SFTs become consistent with the independent SPS results if the number of type Ia supernovae (SNIa) per unit stellar mass increases for more massive E~galaxies. This is a natural outcome of galaxies with higher star-formation rates producing more massive star clusters, spawning a larger number of SNIa progenitors per star. The calculations show E~galaxies with a stellar mass $\approx 10^{9.5} M_\odot$ to have had the longest mean SFTs of $\approx2\,$Gyr. The bulk of more massive E~galaxies were formed faster (SFT$\,\approx 1\,$Gyr) leading to domination by M~dwarf stars and larger dynamical mass-to-light ratios as observed, while lower-mass galaxies tend to lose their gas supply more easily due to their shallower potential and therefore also have similarly-short mean SFTs. This work achieves, for the first time, consistency of the SFTs for early-type galaxies between chemical-enrichment and SPS modelling and leads to an improved understanding of how the star formation environment may affect the total number of SNIa per unit stellar mass formed.

研究の動機と目的

• 巨大楕円銀河における長年の縮小問題を解消すること。化学的進化モデルでは星形成時​​間スケール（SFT）が短く推定されるが、これは星形成合成（SPS）研究から推定される値と一致しない。
• 環境依存型統合銀河全体の初期質量関数（IGIMF）が、化学的増幅から得られるSFT推定値とSPSモデルからの推定値の不一致を解消できるかを調査すること。
• 単位星質量あたりのIa型超新星（SNIa）数が銀河質量にどのように依存するかを特定し、その変化が観測されたSFTの不一致を説明できるかを検証すること。
• IGIMF理論（星形成速度と金属量に応じてIMFが進化する）が、初期期銀河における観測された星の金属量、[Mg/Fe]比、動力学的質量光度比を自然に説明できるかを検証すること。

提案手法

• 本研究では、星形成速度（SFR）と金属量に応じて変化する環境依存型IMFを組み込んだGalIMF化学進化コードを用い、銀河全体のIMFが物理的条件の変化に応じて進化する仕組みを実装した。
• IMFはSFRと金属量の関数としてモデル化され、高SFR環境ではトップヘヴィ（上部が重い）IMF、金属量が低い環境ではボトムライト（下部が軽い）IMFが採用され、観測的制約と整合的である。
• 単位星質量あたりのSNIa総数は、式15、20、21で形式化された、IMF形状に依存する修正されたSNIa実現パラメータを用いて計算された。
• SFTは星の平均金属量と[Mg/Fe]を制約として用い、SPSから得られるSFTと比較した。
• SNIa遅延時間関数（DTD）と星の核生成物は、観測された元素組成パターンに一致するようにキャリブレーションされた。
• モデルは銀河質量の広い範囲でテストされ、特にSFTがピークに達する遷移質量（約10⁹.⁵M⊙）に特に注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 IGIMF理論で説明される環境依存型IMFは、巨大楕円銀河において化学的進化モデルから得られるSFTとSPS研究から得られるSFTの不一致を解消できるか？
• RQ2 単位星質量あたりのIa型超新星（SNIa）数は銀河質量にどのように依存するか。その変化は理論的期待と整合的か？
• RQ3 高SFR環境における星団の質量と密度は、SNIa生成をどのように強化するか。その影響は推定SFTにどのように現れるか？
• RQ4 なぜ巨大楕円銀河は高い動力学的質量光度比と下部が重い星質量関数を示すのか。これはIMFの進化によって説明可能か？
• RQ5 IGIMF理論は、微調整を要せず、観測された[Mg/Fe]の増幅と金属量の高い状態を自然に説明できるか？

主な発見

• 巨大楕円銀河の星形成時​​間スケール（SFT）は、星質量が約10⁹.⁵M⊙の銀河で最大約2 Gyrに達し、縮小パラドックスが解消された。
• より大きな楕円銀河（M⋆ > 10⁹.⁵M⊙）では、SFTが約1 Gyrに減少し、高SFR環境で形成される高密度・高質量星団からのSNIa生成が促進されることで、SPS推定値と整合的になった。
• 単位星質量あたりのSNIa数は銀河質量に伴い増加し、最も大きな銀河ではSNIa実現パラメータを2.5倍に増加させる必要があった。これにより、SPSから得られるSFTと一致した。
• 環境依存型IMFは、高SFR環境でトップヘヴィIMFが生成されることにより、巨大楕円銀河における観測された[Mg/Fe]の増幅と高金属量を自然に説明できる。
• 低質量楕円銀河も、浅い重力井戸による急速なガス損失と抑制が生じるため、同様に短いSFT（約1 Gyr）を示し、モデルの予測と整合的である。
• モデルは、下部が重いIMFとSNIa生成の増強という相乗効果により、巨大楕円銀河で観測された高い動力学的質量光度比をうまく説明している。