[論文レビュー] LYRA II: Cosmological dwarf galaxy formation with inhomogeneous Population III enrichment

Thales A. Gutcke, Rüdiger Pakmor+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用数 36

ひとこと要約

本研究では、AREPOのLYRAモデルを用いて、2×10⁹ M⊙の矮星銀河について高解像度の宇宙論的シミュレーションを実施し、個々の超新星と不均一な第3星族（PopIII）元素拡散を解像した。その結果、PopIII星の宿主ハロー質量が銀河の星形成歴と金属量分布を決定づけることが示された。高質量のPopIII宿主では、早期に密な星形成が開始され、長期間にわたるガス降着が後期の星形成再 igniting を可能にする一方、階層的合体にもかかわらずダークマター分布はくびれを示さないままであった。

ABSTRACT

We present the simulation of a $2 imes10^9 M_\odot$ halo mass cosmological dwarf galaxy run to $z=0$ at 4 solar mass gas resolution with resolved supernova feedback. We compare three simple subgrid implementations for the inhomogeneous chemical enrichment from Population III stars and compare them to constraints from Local Group dwarf galaxies. The employed model, LYRA, is a novel high resolution galaxy formation model built for the moving mesh code AREPO, which is marked by a resolved multi-phase interstellar medium, single stars and individual supernova events. The resulting reionization relic is characterized by a short ($<1.5$ Gyr) star formation history that is repeatedly brought to a standstill by violent bursts of feedback. Star formation is reignited for a short duration due to a merger at $z\approx4$ and then again at $z\approx0.2-0$ after sustained gas accretion. Our model $z=0$ galaxy matches the stellar mass, size, stellar kinematics and metallicity relations of Local Group dwarf galaxies well. The dark matter profile does not exhibit a core in any version of the model. We show that the host halo masses of Population III stars affect the assembly history of dwarf galaxies. This manifests itself through the initial gaseous collapse in the progenitor halos, affecting the central density of the stellar component and through the accretion of luminous substructure.

研究の動機と目的

• 第3星族星からの不均一な化学的拡散が、宇宙論的矮星銀河の形成と進化に与える影響を調査すること。
• 最初の星（Pop3）の宿主ハロー質量が異なれば、z = 0における矮星銀河の星形成歴、金属量分布、構造的性質に影響を与えるかどうかを検証すること。
• Pop3拡散がダークマター分布の形態に与える影響、特にコア型の分布を生じるかどうかを評価すること。
• ローカルグループの矮星銀河からの観測制約（恒星質量、サイズ、運動学、金属量関係）と比較すること。

提案手法

• AREPOの移動メッシュコードを用い、4 M⊙のガス解像度で2×10⁹ M⊙の宇宙論的矮星銀河を、高解像度銀河形成モデルLYRAを用いてシミュレーションした。
• 多相性のある星間媒体、個々の超新星イベント、若年星からの放射フィードバックを解像した。
• 不均一なPop3拡散を実装するための3つのスケール下モデルを採用：均一拡散、MPopIII = 10⁶ M⊙での拡散、MPopIII = 10⁷ M⊙での拡散。さらに、解像できない星の運動を補償するため、3 km/sの速度キックを追加したモデルも追加した。
• リアルタイムでのハロー探索と、ハロー質量のしきい値に基づく金属量フロア割り当てを用い、Pop3拡散の開始をモデル化した。
• 光度の高い子構造の降着と外因的恒星分率を追跡し、階層的合体の影響を評価した。
• シミュレーション結果（恒星質量、サイズ、運動学、金属量、ダークマター分布）を、ローカルグループおよびSolo Dwarf Surveyからの観測データと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最初の第3星族星の宿主ハロー質量が、宇宙論的矮星銀河の星形成歴にどのように影響を与えるか？
• RQ2 不均一なPop3拡散が、矮星銀河における金属量分布関数にどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 長期間にわたる低速のガス降着が、低質量矮星銀河で星形成を再起動できるか？その条件は何か？
• RQ4 より小さなハローの降着による階層的合体が、恒星の子構造や外因的分率に観測可能な差をもたらすか？
• RQ5 シミュレーションされたダークマター分布にはコアが形成されるか？また、ローカルグループの矮星銀河の観測結果とどのように比較されるか？

主な発見

• 星形成歴は1.5 Gyr未満に短く、再イオン化と超新星フィードバックによって早期に停止した。その後、合体と持続的ガス降着の影響で、z ≈4およびz ≈0.2–0.3の2回の短い再起動が観測された。
• 全恒星質量はモデル間で一貫して高い（約10⁸ M⊙）が、星形成歴は顕著に異なる。MPopIIIが低い（10⁶ M⊙）モデルでは初期星形成が早く開始され、MPopIIIが高い（10⁷ M⊙）モデルでは初期星形成が遅れる。
• MPopIII = 10⁶ M⊙モデルでは、小さなハローでの短時間で孤立したバーストが原因で金属量分布が二峰性を示すが、均一モデルでは単峰性の分布となる。
• ギガ年単位にわたる持続的ガス降着は、10⁻⁶–10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹の極めて低い降着率でも星形成を再起動可能であるが、これは中心ポテンシャルが十分に深いことが条件であり、これはおそらく核に星集団が存在するためである。
• 階層的合体による外因的恒星分率は95％を超えるが、これはPop3宿主ハロー質量に敏感である。
• どのモデルでも統計的に有意なコアが形成されず、高恒星対ハロー質量比および高星形成密度のしきい値にもかかわらず、Pop3拡散とフィードバックがこの系においてコア形成を引き起こさないことが示された。