[논문 리뷰] Galaxy archaeology for wet mergers: Globular cluster age distributions in the Milky Way and nearby galaxies

Lucas M. Valenzuela, Rhea–Silvia Remus외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 20.

Galaxies: Formation, Evolution, PhenomenaPhysics and Astronomy참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 은하의 과거 수분 융합 사건을 추적하는 데 다중모달 고리성 은하단(GC) 연령 분포가 유용한 지표가 될 수 있다고 제안한다. 본 연구는 우리 은하와 근접 은하들(M31, NGC 1407, NGC 3115)을 실험실로 삼아, 관측된 GC 연령 분포를 시뮬레이션된 융합 역사를 비교함으로써, 특히 가스가 풍부한 융합 동안 형성된 더 어린 GC 집단이 융합 사건과 관련된 뚜렷한 연령 피크를 남기며, 이를 통해 추적하기 어려운 융합 역사를 추론할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Identifying past wet merger activity in galaxies has been a longstanding issue in extragalactic formation history studies. Gaia's 6D kinematic measurements in our Milky Way (MW) have vastly extended the possibilities for Galactic archaeology, leading to the discovery of early mergers in the MW's past. As recent work has established a link between young globular clusters (GCs) and wet galaxy merger events, the MW provides an ideal laboratory for testing how GCs can be used to trace galaxy formation histories. To test the hypothesis that GCs trace wet mergers, we relate the measured GC age distributions of the MW and three nearby galaxies to their merger histories and interpret the connection with wet mergers through an empirical model for GC formation. For the MW, we cross-match the GCs with their associated progenitor host galaxies to disentangle the connection to the GC age distribution. We find that the MW GC age distribution is bimodal, mainly caused by younger GCs associated with Gaia-Sausage/Enceladus (GSE) and in part by unassociated high-energy GCs. The GSE GC age distribution also appears to be bimodal. We propose that the older GSE GCs were accreted together with GSE, while the younger ones formed through the merger. For the nearby galaxies, we find that peaks in the GC age distributions coincide with early gas-rich mergers. Even small signatures in the GC age distributions agree well with the formation histories of the galaxies inferred through other observed tracers. From the models, we predict that the involved cold gas mass can be estimated from the number of GCs found in the formation burst. Multimodal GC age distributions can trace massive wet mergers as a result of GCs being formed through them. From the laboratory of our own MW and nearby galaxies we conclude that the ages of younger GC populations of galaxies can be used to infer the wet merger history of a galaxy.

연구 동기 및 목표

• 고리성 은하단(GC) 연령 분포가 은하 형성 과정에서 수분 융합 사건을 실증적으로 추적하는 데 사용될 수 있는지 테스트하는 것.
• 우리 은하와 근접 은하의 관측된 GC 연령 분포와 그에 따른 추정된 융합 역사이론 간의 연관성을 조사하는 것.
• 더 어린 GC 집단의 존재가 과거 수분(가스가 풍부한) 융합과 특히 관측 가능한 융합 흔적의 수가 제한된 은하에서 어떻게 관련되는지 확인하는 것.
• 수분 융합 동안 GC 형성 폭발과 은하의 관측 가능한 연령 분포 특징 간의 관계를 연결하는 모델을 개발하고 검증하는 것.
• 은하계 외부 천체에서 수분 융합의 시기와 성격을 제약하는 데 GC 연령 분포를 진단 도구로 사용하는 것이 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 우리 은하, M31, NGC 1407, NGC 3115의 관측된 GC 연령 분포를 여러 연구에서 취합하여 비교 분석을 수행하였다.
• 우리 은하의 GC들을 그 기원 천체(예: Gaia-Sausage/Enceladus)와 교차 매칭하여, 유입된 천체에서 기인한 연령 분포 기여도를 분리하였다.
• GC 형성의 경험적 모델을 사용하여 관측된 GC 연령 분포를 재현하는 융합 역사를 시뮬레이션하였다.
• 관측된 분포와 일치하는 GC 연령 분포를 보인 시뮬레이션된 은하들을 식별하고, 그들의 유입 역사를 관측 흔적과 비교하였다.
• 시뮬레이션에서 어린 GC의 형성을 추적하여, 특히 냉각된 가스 비율이 높은 융합 사건과의 연관성을 규명하였다.
• 특히 저융합 질량 비율을 가진 시스템에서 연령 피크의 두드러짐을 평가함으로써, 수분 융합의 징후가 감지 가능한지 평가하였다.

Figure 1: Globular cluster age distributions in the MW from Forbes & Bridges ( 2010 ) and Usher et al. ( 2019 ) , with sample sizes of 92 and 61 GCs, respectively. The boxy lines are the actual histograms, while the smooth curves show the distributions smoothed by the measurement uncertainties. Thes

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중모달 고리성 은하단 연령 분포는 은하의 과거 수분 융합 사건을 식별하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ2 우리 은하와 근접 은하의 고리성 은하단 연령 분포는 수분 융합의 시기와 성격을 어느 정도 반영하는가?
• RQ3 유입된 천체(예: Gaia-Sausage/Enceladus)와 관련된 고리성 은하단의 연령 분포는 현지에서 형성된 집단과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 작거나 소규모 수분 융합 사건은 고리성 은하단 연령 분포에 관측 가능한 징후를 남길 수 있는가?
• RQ5 융합 폭발 동안 형성된 고리성 은하단의 수와 수분 융합에 관여한 냉각된 가스 질량 사이의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 우리 은하의 고리성 은하단 연령 분포는 이중성이며, 주로 Gaia-Sausage/Enceladus(GSE) 융합과 관련된 더 어린 집단과 관련된 것으로 보이며, 이는 GSE 외부에서 유입된 고에너지 GC 집단도 포함된다.
• GSE의 GC 연령 분포 역시 이중성이며, 시스템과 함께 유입된 오래된 집단과 융합 중 형성된 더 어린 집단이 포함되어 있어, 수분 융합 역학에 의해 유도된 현지에서의 형성 과정을 시사한다.
• NGC 3115, M31, NGC 1407의 GC 연령 분포에서 뚜렷한 피크가 가스가 풍부한 융합 활동의 초기 단계와 일치하며, GC 형성 폭발과 수분 융합 간의 연관성을 뒷받침한다.
• 작고 저질량의 수분 융합 사건조차도, 특히 NGC 3115와 NGC 1407와 같은 시스템에서 미세한 피크 형태로 관측 가능한, 비록 약한 징후를 남긴다.
• 시뮬레이션 결과, GC 연령 분포가 우리 은하와 NGC 3115와 유사한 은하들은 약 8–10 Gyr 전에 주요 수분 융합을 겪었으며, 이는 관측된 융합 역사와 일치한다.
• 모델은 융합 폭발 동안 형성된 GC 수를 통해 수분 융합에 관여한 냉각된 가스 질량을 추정할 수 있음을 예측하며, GC 형성과 융합 특성 간의 정량적 연결 고리를 제공한다.

Figure 2: Top : Cumulative GC age distributions of the MW from Usher et al. ( 2019 ) (blue) and of two modeled GC populations in simulated MW-mass galaxies from Valenzuela et al. ( 2021 ) (red and orange). Middle : Age distributions of the same three GC populations as in the top panel. The smooth di