[논문 리뷰] Downsizing revised: Star formation timescales for elliptical galaxies with an environment-dependent IMF and number of SNIa

Zhiqiang Yan, Tereza Jeřabková외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 07.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 167인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 맛있는 타원은하에서의 작고화 역설을 해결하기 위해 환경 의존성 초기 질량 함수(이니셜 질량 함수, IMF)를 IGIMF 이론을 통해 적용함으로써, 더 질량이 큰 은하에서 단위 질량당 초신성 Ia(SNIa)의 수가 증가함에 따라 은하의 별 형성 timescale(SFT)이 은퇴된 별 인구 합성(SPS) 모델과 일치함을 보여줌. 핵심 결과는 질량 약 10⁹.⁵M⊙인 은하에서 SFT가 약 2 Gyr에 최고에 이르며, 높은 밀도의 별 집단에서 SNIa 생산이 증가함에 따라 더 질량이 큰 체계에서 더 빠른 형성 시기가 발생함을 시사함.

ABSTRACT

Previous studies of the stellar mean metallicity and [Mg/Fe] values of massive elliptical (E)~galaxies suggest that their stars were formed in a very short timescale which cannot be reconciled with estimates from stellar population synthesis (SPS) studies and with hierarchical-assembly. Applying the previously developed chemical evolution code, GalIMF, which allows an environment-dependent stellar initial mass function (IMF) to be applied in the integrated galaxy initial mass function (IGIMF) theory instead of an invariant canonical IMF, the star formation timescales (SFT) of E galaxies are re-evaluated. The code's uniqueness lies in it allowing the galaxy-wide IMF and associated chemical enrichment to evolve as the physical conditions in the galaxy change. The calculated SFTs become consistent with the independent SPS results if the number of type Ia supernovae (SNIa) per unit stellar mass increases for more massive E~galaxies. This is a natural outcome of galaxies with higher star-formation rates producing more massive star clusters, spawning a larger number of SNIa progenitors per star. The calculations show E~galaxies with a stellar mass $\approx 10^{9.5} M_\odot$ to have had the longest mean SFTs of $\approx2\,$Gyr. The bulk of more massive E~galaxies were formed faster (SFT$\,\approx 1\,$Gyr) leading to domination by M~dwarf stars and larger dynamical mass-to-light ratios as observed, while lower-mass galaxies tend to lose their gas supply more easily due to their shallower potential and therefore also have similarly-short mean SFTs. This work achieves, for the first time, consistency of the SFTs for early-type galaxies between chemical-enrichment and SPS modelling and leads to an improved understanding of how the star formation environment may affect the total number of SNIa per unit stellar mass formed.

연구 동기 및 목표

• 질량이 큰 타원은하에서 화학적 진화 모델이 SPS 연구에서 추론된 것보다 짧은 별 형성 timescale(SFT)을 예측하는 장기적인 작고화 문제를 해결하기 위해.
• 환경 의존성 통합 은하 전체 IMF(IGIMF)가 화학적 풍화에서 유도된 SFT 추정치와 SPS 모델에서 유도된 것 사이의 일치를 이룰 수 있는지 조사하기 위해.
• 단위 질량당 초신성 Ia(SNIa)의 수가 은하 질량에 따라 어떻게 변화하는지, 그리고 이러한 변화가 관측된 SFT 불일치를 설명할 수 있는지 규명하기 위해.
• IGIMF 이론이 별 형성률과 금속 농도에 따라 IMF가 진화할 수 있도록 허용함으로써, 초기형 은하에서 관측된 별 금속 농도, [Mg/Fe] 비율 및 역학적 질량-빛 비율을 자연스럽게 설명할 수 있는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 연구는 환경 의존성 IMF를 IGIMF 이론을 통해 통합한 GalIMF 화학적 진화 코드를 사용하여, 은하 전체 IMF가 별 형성률(SFR)과 금속 농도 등의 물리적 조건 변화에 따라 진화하도록 허용함.
• IMF는 SFR과 금속 농도의 함수로 모델링되며, 고SFR 환경에서는 상단이 무거운 IMF, 금속 농도가 낮은 환경에서는 하단이 가벼운 IMF로, 관측 제약 조건과 일치함.
• 단위 질량당 생성된 총 SNIa 수는 Eq. 15, 20, 및 21에 의해 정의된 수정된 SNIa 실현 파라미터를 통해 계산되며, IMF 형태에 따라 변동함.
• 모델은 은퇴된 별 평균 금속 농도와 [Mg/Fe]를 제약 조건으로 사용하여 SFT를 계산하고, SPS에서 유도된 SFT와 비교함.
• SNIa 지연 시간 분포(DTD)와 별의 금속 생성량은 관측된 원소 농도 패턴을 일치시키도록 校정됨.
• 모델은 다양한 은하 질량 범위에서 테스트되었으며, 특히 SFT가 최고에 이르는 전이 질량 ~10⁹.⁵M⊙에서 특별한 주의를 기울임.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IGIMF 이론으로 기술된 환경 의존성 IMF는 질량이 큰 타원은하에서 화학적 진화 모델에서 유도된 SFT와 SPS 연구에서 유도된 SFT 사이의 불일치를 해소할 수 있는가?
• RQ2 단위 질량당 초신성 Ia(SNIa)의 수는 은하 질량에 따라 어떻게 변화하며, 이러한 변화는 이론적 기대와 일치하는가?
• RQ3 고SFR 환경에서 SNIa 생산을 증가시키는 별 집단의 질량과 밀도는 무엇이며, 이는 유도된 SFT에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 질량이 큰 타원은하는 더 높은 역학적 질량-빛 비율과 하단이 두꺼운 별 질량 함수를 보이며, 이는 IMF 진화로 설명될 수 있는가?
• RQ5 IGIMF 이론은 정밀 조정 없이도 관측된 [Mg/Fe] 향상과 질량이 큰 초기형 은하의 금속 농도를 자연스럽게 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 질량이 큰 타원은하의 별 형성 timescale(SFT)은 약 10⁹.⁵M⊙인 은하에서 약 2 Gyr로 최고에 이르며, 이는 작고화 역설을 해결함.
• 더 질량이 큰 타원은하(M⋆ > 10⁹.⁵M⊙)에서는 SFT가 약 1 Gyr로 감소하며, 이는 고SFR 환경에서 형성된 고밀도·고질량 별 집단에서 SNIa 생산이 증가하기 때문이며, SPS 추정치와 일치함.
• 단위 질량당 SNIa의 수는 은하 질량이 증가함에 따라 증가하며, SPS에서 유도된 SFT를 일치시키기 위해 가장 질량이 큰 은하에서는 SNIa 실현 파라미터를 2.5배로 증가시킬 필요가 있음.
• 환경 의존성 IMF는 고SFR 환경에서 상단이 두꺼운 IMF가 조기에 알파 원소를 많이 생성함으로써 관측된 [Mg/Fe] 향상과 높은 금속 농도를 자연스럽게 설명함.
• 저질량 타원은하는 얕은 위치 에너지 우물로 인해 기체 손실과 억제가 빠르므로 유사한 짧은 SFT(~1 Gyr)를 보이며, 이는 모델의 예측과 일치함.
• 하단이 두꺼운 IMF와 증가한 SNIa 생산의 조합으로 인해 모델은 질량이 큰 타원은하에서 관측된 높은 역학적 질량-빛 비율을 성공적으로 설명함.