[論文レビュー] The interplay between feedback, accretion, transport and winds in setting gas-phase metal distribution in galaxies

Piyush Sharda, Omri Ginzburg+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 334被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、フィードバック、降着、ガス輸送、銀河風が、銀河の半径方向ガス相金属量勾配をどのように決定づけるかをモデル化している。観測された質量-金属量勾配関係（MZGR）を再現するには、フィードバック、降着、輸送によって駆動される乱流が不可欠であることが判明した。特に低質量銀河では、金属を豊かにした風が勾配を平坦化するため、金属の優先的放出が重要な役割を果たす。

ABSTRACT

The recent decade has seen an exponential growth in spatially-resolved metallicity measurements in the interstellar medium (ISM) of galaxies. To first order, these measurements are characterised by the slope of the radial metallicity profile, known as the metallicity gradient. In this work, we model the relative role of star formation feedback, gas transport, cosmic gas accretion, and galactic winds in driving radial metallicity profiles and setting the mass-metallicity gradient relation (MZGR). We include a comprehensive treatment of these processes by including them as sources that supply mass, metals, and energy to marginally unstable galactic discs in pressure and energy balance. We show that both feedback and accretion that can drive turbulence and enhance metal-mixing via diffusion are crucial to reproduce the observed MZGR in local galaxies. Metal transport also contributes to setting metallicity profiles, but it is sensitive to the strength of radial gas flows in galaxies. While the mass loading of galactic winds is important to reproduce the mass metallicity relation (MZR), we find that metal mass loading is more important to reproducing the MZGR. Specifically, our model predicts preferential metal enrichment of galactic winds in low-mass galaxies. This conclusion is robust against our adopted scaling of the wind mass-loading factor, uncertainties in measured wind metallicities, and systematics due to metallicity calibrations. Overall, we find that at $z \sim 0$, galactic winds and metal transport are more important in setting metallicity gradients in low-mass galaxies whereas star formation feedback and gas accretion dominate setting metallicity gradients in massive galaxies.

研究の動機と目的

• フィードバック、降着、ガス輸送、銀河風が、銀河の半径方向金属量勾配をどのように決定づけるかを理解すること。
• 圧力およびエネルギーのバランスにある自己一貫性のある銀河ディスクモデルを用いて、局所銀河における観測された質量-金属量勾配関係（MZGR）を説明すること。
• MZGRを再現するにあたり、金属質量負荷が質量負荷に対して果たす相対的な重要性を評価すること。
• フィードバック、降着、輸送によって駆動される乱流が、金属混合および勾配形成に与える影響を調査すること。
• 風の金属量、質量負荷スケーリング、金属量校正の不確実性に対する結果の感度を評価すること。

提案手法

• モデルは、質量、金属、エネルギーがフィードバック、降着、輸送、風によって供給される、圧力およびエネルギーのバランスにあるわずかに不安定なシステムとして銀河ディスクを扱う。
• 乱流はフィードバック、降着、および半径方向ガス流れによって駆動され、金属混合は乱流速度分散から導かれる拡散係数を用いてモデル化される。
• 風の質量負荷係数は理論的処方（Hayward & Hopkins, 2017; Pandya et al., 2021）を採用し、金属負荷を独立に変化させてその影響をテストした。
• モデルは、さまざまな恒星質量において、ガス面密度、速度分散、金属量プロファイルを自己一貫して計算する。
• 結果はIFUスペクトロスコピーからの観測されたMZGRと比較され、風の金属量、質量負荷スケーリング、校正系の不確実性に対する感度テストが実施された。
• 風の影響を明確に分離するため、銀河風を独立して取り扱い、同時に全バリオンおよびエネルギー予算と整合性を保った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィードバック、降着、ガス輸送が、銀河の半径方向金属量勾配形成にどのように共同で寄与するか。
• RQ2 金属量勾配関係（MZGR）を形作るにあたり、風の質量負荷と金属質量負荷の相対的な重要性は何か。
• RQ3 なぜ低質量銀河では金属量勾配が平坦になるのか。その背後にある物理的プロセスは何か。
• RQ4 低質量銀河における風の金属の優先的豊かさが、風の金属量や質量負荷スケーリングの不確実性に対しても安定しているか。
• RQ5 金属量勾配の形成にあたり、フィードバック、降着、輸送の寄与度が恒星質量関係全体でどのように変化するか。

主な発見

• フィードバック、降着、ガス輸送の組み合わせによって駆動される乱流が、高質量銀河における観測された負の金属量勾配を再現するために不可欠である。
• フィードバックのみ、または降着のみによって駆動される乱流モデルでは、観測値よりも平坦な勾配が得られるため、データと整合させるには複数の駆動要因が必要であることが示された。
• 低質量銀河では、半径方向ガス流れによる金属輸送が金属量勾配に顕著な寄与を示すが、これは強力な半径方向流入が存在する場合に限る。
• モデルは、低質量銀河において風が金属を豊かにしていることを予測しており、風の金属量、質量負荷スケーリング、金属量校正の変動に対してもこの結果は安定している。
• 特に低質量銀河では、金属質量負荷が質量負荷よりもMZGRの再現により重要であり、これはISMの金属量を低下させ、勾配を平坦化する。
• 高質量銀河では、フィードバックと降着が勾配形成を支配するが、風と輸送の寄与は小さい。これは、物理的駆動要因の支配的要因が質量に依存して変化することを示している。