[논문 리뷰] Growing Pains: The Formation Times and Building Blocks of Milky Way-mass Galaxies in the FIRE Simulations

Isaiah B. Santistevan, Andrew Wetzel외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 09.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 은하계와 M31 질량 시스템의 형성 시기와 조상 은하를 추적하기 위해 FIRE-2 천체역학 시뮬레이션을 사용하며, 그 결과 주 조상은 일반적으로 z ≈ 3–4(11.6–12.2 Gyr 전)에 형성되었고, 내부 부두성 별들은 z ≈ 4(12.2 Gyr 이상 전)에 단일 주 조상에서 형성된 것으로 나타났다. 환경은 초기 형성에 중요한 영향을 미치며, 일반적인 은하계/M31 질량 시스템에는 약 100개의 조상 은하가 기여한다. 이는 현재 존재하는 위성은 진정한 조상 인구의 극히 불완전한 사례임을 시사한다.

ABSTRACT

Surveys of the Milky Way (MW) and M31 enable detailed studies of stellar populations across ages and metallicities, with the goal of reconstructing histories across cosmic time. These surveys motivate key questions for galactic archaeology in a cosmological context: when did the main progenitor of a MW/M31-mass galaxy form, and what were the galactic building blocks that formed it? We investigate the times and progenitor galaxies of MW/M31-mass galaxies using the FIRE-2 cosmological simulations, including 6 isolated MW/M31-mass galaxies and 6 galaxies in Local Group (LG)-like pairs at z = 0. We examine main progenitor formation based on two metrics: (1) transition from primarily ex-situ to in-situ stellar mass growth and (2) mass dominance compared to other progenitors. We find that the main progenitor of a MW/M31-mass galaxy emerged typically at z ~ 3-4 (11.6-12.2 Gyr ago), while stars in the bulge region (inner 2 kpc) at z = 0 formed primarily in a single main progenitor at z 4 (> 12.2 Gyr ago). This highlights the importance of environment in MW/M31-mass galaxy formation, especially at early times. Overall, about 100 galaxies with M_star > 10^5 M_sun formed a typical MW/M31-mass system. Thus, surviving satellites represent a highly incomplete census (by ~ 5x) of the progenitor population.

연구 동기 및 목표

• 천체역학 시뮬레이션을 사용하여 은하계 및 M31 질량 은하의 형성 시기와 조상 은하를 규명하는 것.
• 환경적 맥락(고립된 경우 vs. 국부군 유사 쌍)이 은하계/M31 질량 은하의 형성 역사를 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• 일반적인 은하계/M31 질량 시스템에 기여한 조상 은하의 수와 특성, 특히 관측된 현재 존재하는 위성들과의 관계를 정량화하는 것.
• 은하의 별질량 증가 지표를 사용하여 현재 존재하는 위성 인구가 전체 조상 인구를 얼마나 완전하게 반영하는지 평가하는 것.

제안 방법

• z = 0에서 6개의 고립 및 6개의 국부군 유사 쌍의 은하계/M31 질량 은하를 포함한 FIRE-2 천체역학 시뮬레이션을 사용한다.
• 주 조상의 형성 시기를 정의하기 위해 두 가지 지표를 적용한다: 외부에서 유입된 별질량에서 내부에서 형성된 별질량으로의 전환, 그리고 다른 조상들에 비해 질량에서의 우세함.
• 각 적색편이에서 별질량 기여도 기반으로 주 조상의 체적 형성 역사를 추적한다.
• 주 조상의 형성 적색편이와 내부 2 kpc 영역(부두)의 형성 시기를 별도로 분석하여 초기 형성 스케일을 평가한다.
• 최종 은하계/M31 질량 시스템에 기여한 모든 조상 은하(M_star > 10^5 M_sun)의 총 수를 세는 작업을 수행한다.
• 조상 은하의 수와 현재 존재하는 위성의 수를 비교하여 관측된 위성 인구의 불완전성을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 별질량 증가 전환 기준에 따라 은하계 또는 M31 질량 은하의 주 조상은 어느 적색편이에서 일반적으로 형성되는가?
• RQ2 고립된 은하와 국부군 유사 쌍에 있는 은하의 주 조상 형성 역사는 어떻게 다를까?
• RQ3 은하계/M31 질량 은하의 내부 2 kpc 영역(부두)에 있는 최종 별질량의 몇 퍼센트가 단일 주 조상에서 유래했으며, 그 형성 적색편이는 언제인가?
• RQ4 일반적인 은하계/M31 질량 시스템 형성에 기여한 조상 은하의 수는 얼마이며, 이는 현재 존재하는 위성의 수와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 관측된 현재 존재하는 위성들은 은하계/M31 질량 은하의 조상 인구를 얼마나 완전하게 반영하는가?

주요 결과

• 은하계 또는 M31 질량 은하의 주 조상은 일반적으로 z ≈ 3–4에 형성되었으며, 이는 11.6–12.2억 년 전에 해당한다.
• 이러한 은하의 내부 2 kpc(부두) 영역의 별들은 z ≈ 4에 단일 주 조상에서 주로 형성되었으며, 이는 12.2억 년 이상 전에 형성된 것을 시사한다.
• 환경은 초기 은하 형성에 중요한 역할을 하며, 국부군 유사 쌍은 고립된 시스템과는 다릅니다.
• 일반적인 은하계/M31 질량 시스템 형성에 약 100개의 별질량 10^5 M_sun 이상의 은하가 기여하였다.
• 현재 존재하는 위성 인구는 전체 조상 인구의 약 1/5에 불과하여, 은하계와 M31를 구성한 은하들의 진정한 인구를 매우 불완전하게 반영하고 있음을 시사한다.
• 외부에서 유입된 별질량에서 내부에서 형성된 별질량으로의 전환이 주 조상의 형성 시기를 나타내며, 이 전환이 샘플 전반에서 z ≈ 3–4에 발생한다.