[논문 리뷰] Bimodality of [\alpha/Fe]-[Fe/H] distributions in Milky Way-type galaxies with thick and thin discs

Sergey Khoperskov, M. Haywood외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 17.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 8인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 자가일관된 화학-역학적 시뮬레이션을 사용하여, 은하수 유형 은하에서 관측되는 이중성 [$\alpha$/Fe]-[Fe/H] 분포가 두 가지 별도의 형성 단계에서 기인함을 보여준다: 초기에 난류적이고 밀집된 디스크가 성폭발을 통해 고-$\alpha$ 시퀀스를 형성하고, 후기에는 안정적이고 확장된 디스크가 느린 가스 유입을 통해 저-$\alpha$ 시퀀스를 형성한다. 이 이중성은 가스 밀도 환경의 차이에 의해 유도되며, 융합 역사는 영향을 받지 않으며, 이는 디스크 은하에서 널리 퍼져 있을 가능성이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We present a set of self-consistent chemo-dynamical simulations of MW-type galaxies formation to study the origin of the bimodality of $\alpha$-elements in stellar populations. We explore how the bimodality is related to the geometrically and kinematically defined stellar discs, gas accretion and radial migration. We find that the two $\alpha$-sequences are formed in quite different physical environments. The high-$\alpha$ sequence is formed early from a burst of star formation (SF) in a turbulent, compact gaseous disc which forms a thick disc. The low-$\alpha$ stellar populations is the result of quiescent SF supported by the slow accretion of enriched gas onto a radially extended thin disc. Stellar feedback-driven outflows during the formation of the thick disc are responsible for the enrichment of the surrounding gaseous halo, which subsequently feeds the disc on a longer time-scale. During the thin disc phase, chemical evolution reaches an equilibrium metallicity and abundance, where the stars pile-up. This equilibrium metallicity decreases towards the outer disc, generating the ridgeline that forms the low-$\alpha$ sequence. We identify a second mechanism capable of creating a low-$\alpha$ sequence in one of our simulations. Rapid shutdown of the SF, provoked by the feedback at the end of the thick disc phase, suppresses the chemical enrichment of the halo gas, which, once accreted onto the star-forming disc, dilutes the ISM at the beginning of the thin disc formation. Both mechanisms can operate in a galaxy, but the former is expected to occur when SF efficiency ceases to be dominated by the formation of the thick disc, while the latter can occur in the inner regions. Being the result of the presence of low and high gas density environments, the bimodality is independent of any particular merger history, suggesting that it could be much more widespread than has been claimed.

연구 동기 및 목표

• 은하수 유형 은하에서 관측되는 이중성 [$\\alpha$/Fe]-[Fe/H] 분포의 기원을 이해하는 것.
• 기하학적 및 운동학적 디스크 구조, 가스 유입, 그리고 반경 방향 이동이 고-$\alpha$ 및 저-$\alpha$ 별 집단 형성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 이중성의 기원이 융합 역사에 기인하는지 아니면 디스크 형성의 내재된 물리적 과정에 기인하는지 판단하는 것.
• 두꺼운 디스크와 얇은 디스크 집단 간의 화학적 분리 원인을 규명하는 것.

제안 방법

• 은하수 유형 은하 형성의 자가일관된 화학-역학적 시뮬레이션을 사용하여 별 형성, 가스 역학, 화학 진화를 모델링한다.
• 가스, 별, 금속도의 진화를 추적하며, 별의 피드백과 외부 분출로 인해 헬름의 금속도가 향상됨을 고려한다.
• 반경 방향 이동과 별 형성 효율의 변화를 포함하여, 이들이 화학 농도 패턴에 미치는 영향을 평가한다.
• 저-$\alpha$ 시퀀스 형성에 대해 두 가지 별도의 메커니즘을 시험한다: (1) 헬름에서 풍부한 가스의 천천히 유입, (2) 두꺼운 디스크의 피드백이 멈춘 후 불풍부한 가스에 의한 희석.
• 고-$\alpha$ (초기, 밀집, 난류적 디스크)와 저-$\alpha$ (후기, 확장, 안정적 디스크) 형성 환경을 명시적으로 구분한다.
• 공간적 및 운동학적 밴드에 따라 화학 농도 패턴을 분석하여 저-$\alpha$ 시퀀스의 등고선과 이중성 구조를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 유형 은하에서 고-$\alpha$ 별 집단 형성에 기여하는 물리적 조건는 무엇인가?
• RQ2 저-$\alpha$ 시퀀스는 어떻게 형성되며, 그 화학 평형과 반경 방향 금속도 기울기를 지배하는 과정은 무엇인가?
• RQ3 이중성 [$\alpha$/Fe]-[Fe/H] 분포는 얼마나 융합 역사에 의존하는가, 아니면 내재된 디스크 형성 물리에 의해 결정되는가?
• RQ4 여러 메커니즘이 저-$\alpha$ 시퀀스를 형성할 수 있으며, 이러한 메커니즘은 어떤 조건에서 작동하는가?

주요 결과

• 고-$\alpha$ 시퀀스는 성폭발을 통해 빠르게 $\alpha$ 요소가 풍부해지는 난류적이고 밀집된 기체 디스크에서 초기에 형성된다.
• 저-$\alpha$ 시퀀스는 느린 가스 유입에 의해 영양공급되는 반경 방향으로 확장된 얇은 디스크에서 안정적인 별 형성으로 인해 형성된다.
• 두꺼운 디스크 형성 기간 동안의 별 피드백은 기체 헬름을 풍부하게 하며, 이는 후에 얇은 디스크의 영양공급원이 되어 화학 평형을 유지한다.
• 저-$\alpha$ 시퀀스는 외부 디스크로 갈수록 평형 금속도가 감소하는 경향으로 인해 반경 방향 가스 공급 기울기의 영향을 받아 등고선을 형성한다.
• 저-$\alpha$ 시퀀스 형성에 대해 두 번째 메커니즘이 존재한다: 별 형성의 급격한 정지로 인해 헬름의 풍부도가 억제되어, 은하간 매질(ISM)의 희석과 함께 $\alpha$ 농도가 낮아진다.
• 이중성은 융합 역사와 무관하며, 가스 밀도 환경의 차이에 의해 기인하며, 이는 디스크 은하에서 일반적인 특성일 가능성이 있음을 시사한다.