[論文レビュー] Rapid disc settling and the transition from bursty to steady star formation in Milky Way-mass galaxies

Alexander B. Gurvich, Jonathan Stern+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、高解像度のFIRE-2宇宙論的シミュレーションを用いて、天の川質量銀河が赤方偏移z ≈ 0.5から0.8の間で約1 Gyrの期間にわたり、断続的でクラスタ型の星形成から安定的で回転支持型のディスクへと移行することを示している。主な発見は、星間媒体（ISM）における回転支持が急速に出現し、同時に内側の周銀河媒体（CGM）における熱エネルギー支持と一致することであり、高赤方偏移の前身天体に対して平衡ディスクモデルが適用可能であるという仮定に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Recent observations and simulations indicate substantial evolution in the properties of galaxies with time, wherein rotationally-supported and steady thin discs (like those frequently observed in the local universe) emerge from galaxies that are clumpy, irregular, and have bursty star formation rates (SFRs). To better understand the progenitors of local disc galaxies we carry out an analysis of three FIRE-2 simulated galaxies with a mass similar to the Milky Way at redshift z=0. We show that all three galaxies transition from bursty to steady SFRs at a redshift between z=0.5 and z=0.8, and that this transition coincides with a rapid (< ~1 Gyr) emergence of a rotationally-supported interstellar medium (ISM).In the late phase with steady SFR, the rotational energy comprises > ~90% of the total kinetic + thermal energy in the ISM, and is roughly half the gravitational energy. By contrast, during the early phase with bursty star formation, the ISM has a quasi-spheroidal morphology and its energy budget is dominated by quasi-isotropic flows including turbulence and coherent inflows/outflows. This result, that rotational support is subdominant at early times, challenges the common application of equilibrium disc models to the high-redshift progenitors of Milky Way-like galaxies. We further find that the formation of a rotation-supported ISM coincides with the formation of a thermal energy-supported inner circumgalactic medium (CGM). Before this transition, the inner CGM is also supported by turbulence and coherent flows, indicating that at early times there is no clear boundary between the ISM and inner CGM.

研究の動機と目的

• 天の川質量銀河における断続的でクラスタ型の星形成から安定的で回転支持型ディスクへの移行の背後にある物理的メカニズムを理解すること。
• 星間媒体（ISM）における回転支持の役割と、周銀河媒体（CGM）の進化との関連を調査すること。
• 高赤方偏移の前身天体に対して平衡ディスクモデルが適用可能であるという仮定を、ISMとCGMのエネルギー収支および形状の分析によって検証し、疑問を呈すること。
• 安定ディスクへの移行が、内側CGMのバーリアライゼーションおよび熱的圧力支持の出現と関連しているかどうかを特定すること。
• 初期銀河形成におけるフィードバック駆動流の進化と、ディスク安定化、ISM運動論的性質との間の物理的リンクを確立すること。

提案手法

• z = 0における天の川質量銀河の3つの高解像度FIRE-2ズームインシミュレーションを分析し、ISM運動論的性質とエネルギー収支の進化を検討する。
• 星形成率（SFR）の変動の時間的変化を追跡し、断続的から安定的SFRへの移行が起こる赤方偏移を特定する。
• ISMおよび内側CGMにおける運動エネルギー、熱エネルギー、重力エネルギーの成分を計算し、支持機構（回転、乱流、圧力）を評価する。
• 3次元空間的および運動論的分解を用いて、回転支持型ディスクの出現を特定し、乱流的・球状の形状と区別する。
• ディスク安定化の前後におけるISMおよび内側CGMのエネルギー支持機構を比較し、ISMとCGMの境界を評価する。
• ISMにおける回転支持の出現と、内側CGMにおける熱的圧力支持の出現を相関させ、CGMのバーリアライゼーションがディスク安定化を駆動する仮説を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FIRE-2シミュレーションにおいて、天の川質量銀河はどの赤方偏移で断続的から安定的星形成へと移行するか？
• RQ2 ディスク安定化の過程でISMに急速に現れる回転支持の背後にある物理的メカニズムは何か？
• RQ3 断続的から安定的星形成への移行期におけるISMおよび内側CGMのエネルギー収支は、どのように変化するか？
• RQ4 両者とも乱流的・一様な流れによって支持されている以上、ディスク安定化の前にはISMと内側CGMの区別がどの程度明確にできるか？
• RQ5 内側CGMのバーリアライゼーション（熱的圧力支持によって示される）は、ISMにおける回転支持の出現と同時に起こっているか？

主な発見

• 3つのシミュレートされた天の川質量銀河すべてが、z = 0.5からz = 0.8の間で断続的から安定的星形成へと移行し、その移行は約1 Gyrの時間スケールで進行する。
• 移行期に伴い、ISMにおける回転支持が急速に増加し、最終的にISM内での全運動エネルギー＋熱エネルギーの90％以上を占めるようになる。
• ディスク安定化の前には、ISMは準球状であり、乱流的・一様な流れが支配的で、回転エネルギーは劣勢である。
• 回転支持型ISMの出現は、内側CGMにおける熱的圧力支持の出現と一致しており、内側CGMが同時にバーリアライズしていることが示唆される。
• ディスク安定化の前には、ISMと内側CGMの明確な境界が存在せず、両者とも安定した回転または熱的平衡ではなく、大規模な流れによって支持されている。
• これらの結果は、高赤方偏移の天の川の前身天体に対して平衡ディスクモデルを用いることが適切ではないことを示しており、回転支持は形成過程の後期にのみ確立されるからである。