[논문 리뷰] 3D elemental abundances of stars at formation across the histories of Milky Way-mass galaxies in the FIRE simulations

Matthew A. Bellardini, Andrew Wetzel외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 132인용 수 37

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 FIRE-2 천체역학 시뮬레이션을 사용하여 11개의 은하수 및 M31 질량을 가진 은하에서 별의 형성 시 3차원 원소 농도([Fe/H], [Mg/H], [Mg/Fe])를 모델링한다. 연구 결과, 반경 방향 농도 기울기가 시간이 지남에 따라 점점 더 기울어지고, 시각적 산란도 116억 년 전 약 0.17 dex에서 오늘 약 0.04 dex로 감소하며, 약 80억 년 전 이후에 형성된 별들은 주로 시각적 농도 변화를 보임을 확인하여 은하 고생물학에서 화학적 태그를 위한 핵심 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

We characterize the 3-D spatial variations of [Fe/H], [Mg/H], and [Mg/Fe] in stars at the time of their formation, across 11 simulated Milky Way (MW)- and M31-mass galaxies in the FIRE-2 simulations, to inform initial conditions for chemical tagging. The overall scatter in [Fe/H] within a galaxy decreased with time until $\approx 7$ Gyr ago, after which it increased to today: this arises from a competition between a reduction of azimuthal scatter and a steepening of the radial gradient in abundance over time. The radial gradient is generally negative, and it steepened over time from an initially flat gradient $\gtrsim 12$ Gyr ago. The strength of the present-day abundance gradient does not correlate with when the disk `settled'; instead, it best correlates with the radial velocity dispersion within the galaxy. The strength of azimuthal variation is nearly independent of radius, and the 360 degree scatter decreased over time, from $\lesssim 0.17$ dex at $t_{ m lb} = 11.6$ Gyr to $\sim 0.04$ dex at present day. Consequently, stars at $t_{ m lb} \gtrsim 8$ Gyr formed in a disk with primarily azimuthal scatter in abundances. All stars formed in a vertically homogeneous disk, $\Delta$[Fe/H] $\leq 0.02$ dex within $1$ kpc of the galactic midplane, with the exception of the young stars in the inner $\approx 4$ kpc at $z \sim 0$. These results generally agree with our previous analysis of gas-phase elemental abundances, which reinforces the importance of cosmological disk evolution and azimuthal scatter in the context of stellar chemical tagging. We provide analytic fits to our results for use in chemical-tagging analyses.

연구 동기 및 목표

• 은하수 질량 은하에서 별 형성 시점의 원소 농도 3차원 공간 분포를 특성화하기 위해.
• 반경, 수직, 시각적 농도 변화가 우주 시간에 따라 어떻게 변화하는지 정량화하기 위해.
• 은하 고생물학에서 화학적 태그를 향상시키기 위해 초기 농도 조건에 대한 분석적 피팅을 제공하기 위해.
• 별이 형성 시 그 지역 가스의 농도를 대표한다고 보는 가정을 검증하고, 형성 조건에서 시각적 산란의 역할을 평가하기 위해.
• 화학적 태그에 있어 시각적 농도 균일성이 타당한 가정이 되는 전환 시점을 결정하기 위해.

제안 방법

• 고해상도 유체역학 및 별성 피드백을 포함한 FIRE-2 천체역학 시뮬레이션 세트를 사용하여 은하수 및 M31 질량을 가진 11개 은하를 시뮬레이션한다.
• 가스 단계의 농도 증강 모델을 사용하여 별의 형성 시점의 원소 농도([Fe/H], [Mg/H], [Mg/Fe])를 추적한다.
• 다양한 볼룩 타임과 은하중심 반경에서 반경, 수직, 시각적 농도 산란을 측정한다.
• 조각별 선형 함수를 반경 농도 프로파일에 피팅하여 기울기 변화를 정량화한다.
• 별 농도 산란과 가스 단계 농도 산란을 비교하여 별-가스 농도 동일성 가정의 타당성을 평가한다.
• 화학적 태그 모델에 사용하기 위해 볼룩 시간에 따른 반경 기울기 및 시각적 산란에 대한 분석적 피팅을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 질량 은하에서 별의 원소 농도 반경, 수직, 시각 기울기는 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 별의 시각적 농도 산란이 감소하는 시간 척도는 무엇이며, 가스 단계 산란과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ3 반경 및 시각적 농도 변화 강도는 은하 운동 및 구조적 진화와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 다른 시간에 형성된 별들은 3차원 공간에서 균일한지 또는 비균일한 농도 분포를 보이는가?
• RQ5 화학적 태그에 있어 시각적 농도 균일성 가정이 타당해지는 볼룩 시간은 언제인가?

주요 결과

• Fe/H의 반경 농도 기울기는 초기에 평탄했으며(120억 년 이상 전), 시간이 지남에 따라 기울어져 약 70억 년 전에 가장 음수로 되었고, 이후 약간 평탄해져 현재에 이르렀다.
• Fe/H의 시각적 산란은 116억 년 전 약 ≲0.17 dex에서 오늘 약 ∼0.04 dex로 감소하였으며, 이는 약 80억 년 이후에 형성된 별들이 주로 시각적 농도 변화를 보이는 디스크에서 탄생했다는 것을 시사한다.
• 수직 농도 기울기는 미미하였으며, 중립면 근처 1kpc 이내에서는 ∆[Fe/H] ≤ 0.02 dex이지만, 내부 약 4kpc에서는 젊은 별들이 약간의 수직 기울기를 보였다.
• 현재의 반경 기울기 강도는 디스크가 정착한 시점보다는 은하의 반경 속도 분산과 가장 잘 상관관계가 있다.
• 대규모 볼룩 시간과 대규모 반경에서 별의 시각적 산란은 가스보다 체계적으로 작으며, 이는 별 형성 가스가 생산하는 별보다 공간적으로 더 이질적임을 시사한다.
• 별의 시각적 농도 균일성 전환 시점은 약 80억 년 전이며, 이는 가스의 해당 전환 시간보다 약 10억 년 빠르며, 이는 별이 부모 가스보다 공간적으로 더 균일한 농도를 가진 채로 형성된다는 것을 시사한다.