[論文レビュー] Growing Pains: The Formation Times and Building Blocks of Milky Way-mass Galaxies in the FIRE Simulations

Isaiah B. Santistevan, Andrew Wetzel+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、FIRE-2宇宙論的シミュレーションを用いて、銀河系およびM31質量系の形成時刻および前身銀河を追跡した。その結果、それらの主な前身銀河は通常、z ≈ 3–4（11.6–12.2 Gyr前）に形成され、内側のバルジ星はz ≈ 4（12.2 Gyr前以降）に単一の主要な前身銀河で形成された。環境は初期の形成に顕著な影響を及ぼし、典型的なMW/M31質量系には約100個の前身銀河が寄与している。これは、生存している衛星が真の前身銀河集団を完全に反映していないことを示している。

ABSTRACT

Surveys of the Milky Way (MW) and M31 enable detailed studies of stellar populations across ages and metallicities, with the goal of reconstructing histories across cosmic time. These surveys motivate key questions for galactic archaeology in a cosmological context: when did the main progenitor of a MW/M31-mass galaxy form, and what were the galactic building blocks that formed it? We investigate the times and progenitor galaxies of MW/M31-mass galaxies using the FIRE-2 cosmological simulations, including 6 isolated MW/M31-mass galaxies and 6 galaxies in Local Group (LG)-like pairs at z = 0. We examine main progenitor formation based on two metrics: (1) transition from primarily ex-situ to in-situ stellar mass growth and (2) mass dominance compared to other progenitors. We find that the main progenitor of a MW/M31-mass galaxy emerged typically at z ~ 3-4 (11.6-12.2 Gyr ago), while stars in the bulge region (inner 2 kpc) at z = 0 formed primarily in a single main progenitor at z 4 (> 12.2 Gyr ago). This highlights the importance of environment in MW/M31-mass galaxy formation, especially at early times. Overall, about 100 galaxies with M_star > 10^5 M_sun formed a typical MW/M31-mass system. Thus, surviving satellites represent a highly incomplete census (by ~ 5x) of the progenitor population.

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションを用いて、銀河系およびM31質量銀河の形成時刻および前身銀河を特定すること。
• 環境的文脈（孤立系対Local Group風のペア）が、MW/M31質量銀河の形成歴に与える影響を調査すること。
• 典型的なMW/M31質量系に寄与する前身銀河の数および性質を定量化し、観測された生存衛星と関連付けること。
• 星形成物質量成長指標を用いて、生存衛星集団が真の前身銀河集団をどれほど完全に代表しているかを評価すること。

提案手法

• FIRE-2宇宙論的シミュレーションを用い、z = 0における6つの孤立系および6つのLocal Group風のペア構成のMW/M31質量銀河を含む。
• 主な前身銀河の形成を定義するための2つの指標を適用：星形成物質量成長の外因的（ex-situ）から内因的（in-situ）への遷移、および他の前身銀河に対する質量優位性。
• 星形成物質量寄与割合に基づき、各赤方偏移で主な前身銀河を特定することで、銀河の構築歴を追跡する。
• 主な前身銀河および内側2 kpc領域（バルジ）のそれぞれについて、初期形成時刻スケールを評価するため、形成赤方偏移を別々に分析する。
• 最終的なMW/M31質量系に寄与した前身銀河（M_star > 10^5 M_sun）の総数を数える。
• 前身銀河の数と生存衛星の数を比較することで、観測された衛星集団の不完全性を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星形成物質量成長の遷移に基づくと、銀河系およびM31質量銀河の主な前身銀河はどの赤方偏移で通常形成されるか？
• RQ2 孤立系とLocal Group風のペアに属する銀河では、主な前身銀河の形成歴にどのような差が生じるか？
• RQ3 MW/M31質量銀河の内側2 kpc（バルジ）領域に蓄積された最終的星形成物質量の何パーセントが、単一の主要な前身銀河に由来し、その形成はどの赤方偏移で起こったか？
• RQ4 典型的なMW/M31質量系の形成に寄与した前身銀河（M_star > 10^5 M_sun）はいくつであり、生存衛星の数と比べてどう異なるか？
• RQ5 観測された生存衛星は、MW/M31質量銀河の前身銀河集団をどれほど完全に反映しているか？

主な発見

• 銀河系およびM31質量銀河の主な前身銀河は通常、赤方偏移z ≈ 3–4（11.6–12.2億年前）に形成される。
• これらの銀河の内側2 kpc（バルジ）領域の星は、主にz ≈ 4に形成された単一の主要な前身銀河に由来し、12.2億年前より前に形成されたことを示している。
• 環境は初期銀河形成に顕著な影響を及ぼし、Local Group風のペアでは孤立系とは異なる構築歴を示す。
• 星形成物質量が10^5 M_sunを超える約100個の銀河が、典型的なMW/M31質量系の形成に寄与した。
• 生存衛星集団は、全前身銀河集団のおよそ1/5にしか対応していないため、銀河系およびM31を構築した銀河の真の前身集団を完全に反映していない。
• 外因的から内因的星形成物質量成長への遷移が、主な前身銀河の形成期を示しており、この遷移はサンプル全体でz ≈ 3–4に発生した。