[論文レビュー] Live Fast, Die $α$-Enhanced: The Mass-Metallicity-$α$ Relation of the Milky Way's Disrupted Dwarf Galaxies

Rohan P. Naidu, Charlie Conroy+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、銀河の星彩のハローに存在する9つの破壊された矮星銀河の化学組成と星質量を分析し、同質量の生存している矮星銀河と比較して、系として金属量が低く、$\alpha$-過剰が顕著であることが判明した。主な発見は、金属量が低い偏りと高赤方偏移での形成を結びつけるきわめて明確な$\Delta$[Fe/H]-[α/Fe]関係であり、破壊された矮星銀河は$z_{\text{trunc}} \approx 1-2$で付加直後に星形成が停止しており、$M_\star \approx 10^6-10^9 M_\odot$の範囲で初期銀河進化の考古学的制約を与える。これは、$z \approx 2-3$まで延びる質量に依存しない$\alpha$-過剰の傾向を支持しており、高赤方偏移観測と整合的である。

ABSTRACT

The Milky Way's satellite galaxies ("surviving dwarfs") have been studied for decades as unique probes of chemical evolution in the low-mass regime. Here we extend such studies to the "disrupted dwarfs", whose debris constitutes the stellar halo. We present abundances ([Fe/H], [$α$/Fe]) and stellar masses for nine disrupted dwarfs with $M_{\star}\approx10^{6}-10^{9}M_{\odot}$ from the H3 Survey (Sagittarius, $Gaia$-Sausage-Enceladus, Helmi Streams, Sequoia, Wukong/LMS-1, Cetus, Thamnos, I'itoi, Orphan/Chenab). The surviving and disrupted dwarfs are chemically distinct: at fixed mass, the disrupted dwarfs are systematically metal-poor and $α$-enhanced. The disrupted dwarfs define a mass-metallicity relation (MZR) with a similar slope as the $z=0$ MZR followed by the surviving dwarfs, but offset to lower metallicities by $Δ$[Fe/H]$\approx0.3-0.4$ dex. Dwarfs with larger offsets from the $z=0$ MZR are more $α$-enhanced. In simulations as well as observations, galaxies with higher $Δ$[Fe/H] formed at higher redshifts -- exploiting this, we infer the disrupted dwarfs have typical star-formation truncation redshifts of $z_{ m{trunc}}{\sim}1-2$. We compare the chemically inferred $z_{ m{trunc}}$ with dynamically inferred accretion redshifts and find almost all dwarfs are quenched only after accretion. The differences between disrupted and surviving dwarfs are likely because the disrupted dwarfs assembled their mass rapidly, at higher redshifts, and within denser dark matter halos that formed closer to the Galaxy. Our results place novel archaeological constraints on low-mass galaxies inaccessible to direct high-$z$ studies: (i) the redshift evolution of the MZR along parallel tracks but offset to lower metallicities extends to $M_{\star}\approx10^{6}-10^{9}M_{\odot}$; (ii) galaxies at $z\approx2-3$ are $α$-enhanced with [$α$/Fe]$\approx0.4$.

研究の動機と目的

• 生存していると破壊された矮星銀河の化学的および動力学的差異を、銀河の星彩ハロー内において理解すること。
• 高赤方偏移で直接観測できない破壊された矮星銀河が、初期銀河形成の考古学的プローブとして機能できるかどうかを検証すること。
• 破壊された矮星銀河の破片を用いて、低質量銀河（$M_\star \approx 10^6-10^9 M_\odot$）における質量-金属量-$\alpha$関係を定量化すること。
• 化学的組成パターンを星形成停止の赤方偏移（$z_{\text{trunc}}$）と結びつけ、動力学的に推定された付加時刻と比較すること。

提案手法

• H3調査の高分解能分光法を用いて、9つの破壊された矮星銀河の星の金属量（[Fe/H]）および$\alpha$元素の組成（[α/Fe]）を測定した。
• 各破壊された矮星銀河の星質量（$M_\star$）を、光度および運動論的データを用いて計算した。
• 金属量のずれ$\Delta$[Fe/H]を、生存している矮星銀河の$z=0$における質量-金属量関係（MZR）からの観測された[Fe/H]との差として定義した。
• シミュレーションと観測された$\alpha$-過剰を用いて、$\Delta$[Fe/H]を$z_{\text{trunc}}$にキャリブレーションすることで、星形成停止の赤方偏移（$z_{\text{trunc}}$）を導出した。
• 化学的に推定された$z_{\text{trunc}}$と、軌道統合により得られた動力学的付加の赤方偏移（$z_{\text{acc}}$）を比較し、停止時期の評価を行った。
• 金属量のずれと$\alpha$-過剰を結びつける線形関係$[\alpha/Fe] = 0.43^{+0.09}_{-0.09} \times \Delta[Fe/H] + 0.08^{+0.03}_{-0.03}$を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定された星質量において、破壊された矮星銀河の化学的組成は、生存している矮星銀河とどのように異なるか？
• RQ2 破壊された矮星銀河において、金属量のずれ（$\Delta$[Fe/H]）と$\alpha$-過剰（[α/Fe]）の関係は何か？
• RQ3 破壊された矮星銀河の化学的組成パターンを用いて、星形成停止の赤方偏移（$z_{\text{trunc}}$）を推定できるか？
• RQ4 化学的に推定された$z_{\text{trunc}}$値は、動力学的に推定された付加の赤方偏移（$z_{\text{acc}}$）とどのように異なるか？
• RQ5 破壊された矮星銀河の組成パターンは、低質量銀河における質量-金属量関係の赤方偏移依存性にどのような示唆を与えるか？

主な発見

• 破壊された矮星銀河は、同質量の生存している矮星銀河と比較して、系として金属量が低く、$\alpha$-過剰が顕著であり、$z=0$における質量-金属量関係からの中央値の$\Delta$[Fe/H]ずれは$\approx 0.3-0.4$ dexであった。
• 破壊された矮星銀河は、$z=0$のMZRと同程度の勾配を持つ質量-金属量関係に従うが、金属量が低く、別個の化学的進化の道筋をたどっていることを示している。
• きわめて明確な$\Delta$[Fe/H]-[α/Fe]関係が観測された：$[\alpha/Fe] = 0.43^{+0.09}_{-0.09} \times \Delta[Fe/H] + 0.08^{+0.03}_{-0.03}$で、金属量の低さの偏りと高い$\alpha$-過剰が結びつけられた。
• 化学的に推定された星形成停止の赤方偏移（$z_{\text{trunc}}$）は、$z \approx 1-2$に集中しており、早期に急速に星形成が停止したことを示している。
• 動力学的に推定された付加の赤方偏移（$z_{\text{acc}}$）は、$z_{\text{trunc}}$とほぼ同一であり、破壊された矮星銀河が付加直後にすぐに星形成が停止しており、数個の近点通過以内に停止したことを示している。
• 結果から、$M_\star \approx 10^6-10^9 M_\odot$の$z \approx 2-3$の銀河は$[\alpha/Fe] \approx 0.4$であったと示唆され、高赤方偏移観測と整合的であり、$M_\star \approx 10^6-10^{11} M_\odot$の範囲で質量に依存しない$\alpha$-過剰の傾向があることを示している。