[논문 리뷰] LYRA II: Cosmological dwarf galaxy formation with inhomogeneous Population III enrichment

Thales A. Gutcke, Rüdiger Pakmor외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 12.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 89인용 수 36

한 줄 요약

이 연구는 AREPO의 LYRA 모델을 사용하여 2×10⁹ M⊙의 난쟁이 은하에 대해 고해상도 천체역학 시뮬레이션을 수행하며, 개별 초신성과 비균일한 3형 항성(PopIII) 금속 증식을 해결한다. 이는 PopIII 항성의 주변 헬로 질량이 은하의 별 형성 역사와 금속 농도 분포에 결정적인 영향을 미친다는 것을 보여주며, 높은 질량의 PopIII 주변 헬로는 더 이른 시기와 더 높은 밀도의 별 형성을 가능하게 하고, 지속적인 가스 유입은 후기 시기에 별 형성 재기의 가능성을 제공한다. 이와 동시에 계층적 구조 형성에도 불구하고 다크 물질 프로파일은 여전히 뾰족한 형태를 유지한다.

ABSTRACT

We present the simulation of a $2 imes10^9 M_\odot$ halo mass cosmological dwarf galaxy run to $z=0$ at 4 solar mass gas resolution with resolved supernova feedback. We compare three simple subgrid implementations for the inhomogeneous chemical enrichment from Population III stars and compare them to constraints from Local Group dwarf galaxies. The employed model, LYRA, is a novel high resolution galaxy formation model built for the moving mesh code AREPO, which is marked by a resolved multi-phase interstellar medium, single stars and individual supernova events. The resulting reionization relic is characterized by a short ($<1.5$ Gyr) star formation history that is repeatedly brought to a standstill by violent bursts of feedback. Star formation is reignited for a short duration due to a merger at $z\approx4$ and then again at $z\approx0.2-0$ after sustained gas accretion. Our model $z=0$ galaxy matches the stellar mass, size, stellar kinematics and metallicity relations of Local Group dwarf galaxies well. The dark matter profile does not exhibit a core in any version of the model. We show that the host halo masses of Population III stars affect the assembly history of dwarf galaxies. This manifests itself through the initial gaseous collapse in the progenitor halos, affecting the central density of the stellar component and through the accretion of luminous substructure.

연구 동기 및 목표

• 비균일한 화학적 증식이 천체역학적 난쟁이 은하의 형성과 진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 초기 별들(3형 항성, PopIII)의 주변 헬로 질량이 다를 경우, z = 0 시점의 난쟁이 은하의 별 형성 역사, 금속 농도 분포, 구조적 성질에 어떤 영향을 미치는지 테스트하기 위해.
• PopIII 증식이 다크 물질 프로파일의 형태에 미치는 영향을 평가하며, 특히 이것이 코어형 프로파일을 유도하는지 여부를 조사하기 위해.
• 지역군 난쟁이 은하의 관측 제약 조건(은하 질량, 크기, 운동성, 금속 농도 관계 등)과 시뮬레이션 결과를 비교하기 위해.

제안 방법

• AREPO의 이동 메쉬 코드에서 고해상도 은하 형성 모델 LYRA를 사용하여 4 M⊙의 기체 해상도로 2×10⁹ M⊙의 천체역학적 난쟁이 은하 시뮬레이션을 수행한다.
• 다중 상태의 간섭성 물질, 개별 초신성 사건, 그리고 젊은 별의 복사 피드백을 해결한다.
• 비균일한 PopIII 증식을 위한 세 가지 서브그리드 모델을 구현: 균일한 증식, MPopIII = 10⁶ M⊙에서의 증식, MPopIII = 10⁷ M⊙에서의 증식. 추가로 불균일한 별 운동을 보상하기 위해 3 km/s의 속도 킥을 도입한 모델도 포함한다.
• 실시간으로 헬로 탐지 및 헬로 질량 임계값 기반의 금속 농도 하한선 할당을 통해 PopIII 증식의 시작을 모델링한다.
• 빛나는 하위구조의 가스 유입 및 외부 기원의 별 분율을 추적하여 계층적 구조 형성의 영향을 평가한다.
• 시뮬레이션된 은하 성질(은하 질량, 크기, 운동성, 금속 농도, 다크 물질 프로파일)을 지역군 및 Solo Dwarf Survey의 관측 데이터와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 3형 항성의 주변 헬로 질량이 천체역학적 난쟁이 은하의 별 형성 역사에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비균일한 PopIII 증식이 난쟁이 은하의 금속 농도 분포 함수에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 지속적인 저속 가스 유입이 저질량 난쟁이 은하에서 별 형성을 재기할 수 있는가? 이를 가능하게 하는 조건은 무엇인가?
• RQ4 더 작은 헬로의 가스 유입을 통한 계층적 구조 형성이 별 하위구조 및 외부 기원 분율에 관측 가능한 차이를 유도하는가?
• RQ5 시뮬레이션된 다크 물질 프로파일은 코어를 형성하는가? 지역군 난쟁이 은하의 관측 결과와 비교했을 때 어떻게 다른가?

주요 결과

• 별 형성 역사가 짧고(1.5 Gyr 이내), 재이온화와 초신성 피드백으로 인해 조기에 억제되며, 융합과 지속적인 가스 유입으로 인해 z ≈4와 z ≈0.2–0.3 시점에 두 번의 짧은 재기 사건이 발생한다.
• 총 은하 질량은 모든 모델에서 유사하게 유지된다(~10⁸ M⊙)지만, 별 형성 역사에 큰 차이가 있다: 더 낮은 MPopIII(10⁶ M⊙) 모델에서는 초기 별 형성이 빠르게 시작되고, 더 높은 MPopIII(10⁷ M⊙) 모델에서는 초기 별 형성이 지연된다.
• MPopIII = 10⁶ M⊙ 모델에서는 작은 헬로에서 일시적인 고립된 폭발로 인해 금속 농도 분포가 双모달 형태를 띠지만, 균일 모델은 단일 모달 분포를 보인다.
• 수십억 년에 걸쳐 지속적인 가스 유입은 매우 낮은 유량(10⁻⁶–10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹)으로도 별 형성을 재기할 수 있지만, 중심 잠재력이 충분히 깊어야 가능하며, 이는 일반적으로 핵심에 별 집합체(likely a nuclear star cluster)가 존재할 경우에만 가능하다.
• 계층적 구조 형성으로 인해 외부 기원의 별 분율이 95%를 초과하며, 이는 PopIII 주변 헬로 질량에 따라 가스 유입된 빛나는 하위구조의 수가 민감하게 영향을 받는다.
• 어느 모델에서도 통계적으로 유의미한 코어가 형성되지 않았으며, 높은 은하 질량 대 헬로 질량 비율과 높은 별 형성 밀도 임계값에도 불구하고, PopIII 증식과 피드백이 이 시스템에서 코어 형성의 원인이 되지 않는다는 것을 시사한다.