[논문 리뷰] Metallicity Gradients in Disks: Do Galaxies Form Inside-Out?

K. Pilkington, C. G. Few외 14명|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|2012. 01. 30.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 68인용 수 118

한 줄 요약

이 연구는 25개의 천체역학적 유체역학 시뮬레이션과 두 가지 화학진화 모델을 사용하여 원판은하의 금속성 경향을 조사하며, 모든 모델이 '내부에서부터 형성' 원리에 따라 진행되더라도 별 형성 효율 프로파일이 경향 진화의 차이를 이끌어내는 것으로 밝혀졌다. SPH 기반 시뮬레이션은 최근 z ~ 1.5 관측과 일치하는 더 급격한 고적색도 경향을 생성하며, 기존의 화학진화 모델을 개선하여 관측된 경향 진화를 더 잘 반영할 필요가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We examine radial and vertical metallicity gradients using a suite of disk galaxy simulations, supplemented with two classic chemical evolution approaches. We determine the rate of change of gradient and reconcile differences between extant models and observations within the `inside-out' disk growth paradigm. A sample of 25 disks is used, consisting of 19 from our RaDES (Ramses Disk Environment Study) sample, realised with the adaptive mesh refinement code RAMSES. Four disks are selected from the MUGS (McMaster Unbiased Galaxy Simulations) sample, generated with the smoothed particle hydrodynamics (SPH) code GASOLINE, alongside disks from Rahimi et al. (GCD+) and Kobayashi & Nakasato (GRAPE-SPH). Two chemical evolution models of inside-out disk growth were employed to contrast the temporal evolution of their radial gradients with those of the simulations. We find that systematic differences exist between the predicted evolution of radial abundance gradients in the RaDES and chemical evolution models, compared with the MUGS sample; specifically, the MUGS simulations are systematically steeper at high-redshift, and present much more rapid evolution in their gradients. We find that the majority of the models predict radial gradients today which are consistent with those observed in late-type disks, but they evolve to this self-similarity in different fashions, despite each adhering to classical `inside-out' growth. We find that radial dependence of the efficiency with which stars form as a function of time drives the differences seen in the gradients; systematic differences in the sub-grid physics between the various codes are responsible for setting these gradients. Recent, albeit limited, data at redshift z=1.5 are consistent with the steeper gradients seen in our SPH sample, suggesting a modest revision of the classical chemical evolution models may be required.

연구 동기 및 목표

• 관측된 원판은하의 금속성 경향과 고전적 내부에서부터 형성 모델의 예측 간 괴리를 해결하기 위해.
• 유체역학적 시뮬레이션의 미세구조 물리가 반경 및 수직 금속성 경향의 진화에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 우주론적 시뮬레이션의 금속성 경향 시간 진화를 분석적 화학진화 모델과 비교하기 위해.
• 고적색도(z ~ 1.5)에서 관측된 경향이 현재의 시뮬레이션 경향 진화 패tern과 일치하는지 평가하기 위해.
• 별 형성 효율 프로파일이 다양한 시뮬레이션 코드 간 경향 진화의 다양성을 결정하는 데 어떤 역할을 하는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 25개의 우주론적 원판은하 시뮬레이션을 활용: RaDES 샘플(19개, RAMSES-AMR 코드)과 MUGS 샘플(6개, GASPER-SPH 코드)에 더해 SPH 기반 추가 시뮬레이션 2개(gcd+ 및 grape-SPH).
• 두 가지 고전적 화학진화 모델(Chiappini et al. 2001; Mollá & Díaz 2005)의 결과와 시뮬레이션의 반경 및 수직 금속성 경향을 비교.
• 젊은 별과 오래된 별 집단 간의 차이와 적색도 범위에 따라 금속성 경향의 시간 진화를 추적.
• 1–3개의 원판 스케일길이 범위에서 수직 농도 경향을 분석하여 은하수 두꺼운 디스크 관측과 비교.
• 경향 기울기의 변화 속도를 정량화하고, 미세구조 물리의 경향 진화에 미치는 영향을 평가.
• 고적색도 은하의 관측 제약 조건(예: Yuan et al. 2011)을 사용하여 모델이 z ~ 1.5 데이터와 일치하는지 테스트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 우주론적 유체역학 시뮬레이션에서 반경 금속성 경향은 고전적 화학진화 모델과 어떻게 다를까?
• RQ2 다른 미세구조 물리 모델을 사용하더라도 모두 내부에서부터 형성 원리에 따르는 데서도 왜 경향 진화 패턴이 다를까?
• RQ3 고적색도(z ~ 1.5) 원판은하에서 관측된 더 급격한 금속성 경향은 현재의 시뮬레이션 코드 예측과 일치하는가?
• RQ4 오래된 별과 젊은 별의 시뮬레이션 경향이 은하수에서 관측된 경향의 평탄화 정도를 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 별 형성 효율의 반경 의존성은 금속성 경향의 형태와 진화를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• SPH 기반 시뮬레이션(MUGS, gcd+, grape-SPH)은 AMR 기반 시뮬레이션(RaDES)보다 고적색도(z ~ 1.5)에서 체계적으로 더 급격한 반경 금속성 경향을 생성하며, 이는 고적색도 대형 나선은하의 관측 경향과 일치한다.
• MUGS 시뮬레이션은 RaDES 및 화학진화 모델보다 금속성 경향의 진화 속도가 훨씬 빠르며, 이는 미세구조 물리와 별 형성 효율 프로파일의 차이에 기인한다.
• 다양한 진화 경로에도 불구하고 모든 모델은 현재 시점의 유사한 반경 금속성 경향(~ -0.05 dex/kpc)으로 수렴하며, 이는 늦은 유형의 원판에서 자가유사성을 나타낸다.
• 시뮬레이션의 수직 농도 경향은 1–3개의 원판 스케일길이 범위에서 은하수 두꺼운 디스크 관측과 유사하지만, 해상도 한계로 얇은/두꺼운 디스크의 구분이 제한된다.
• Chiappini et al. (2001) 화학진화 모델은 다른 모델과 달리 초기에 양의 경향을 가진다면 시간이 지남에 따라 음의 경향으로 전환된다.
• 다양한 시뮬레이션 간의 경향 진화 다양성은 미세구조 물리, 특히 별 형성과 피드백이 경향 진화의 크기와 방향을 결정하며, 단지 내부에서부터 형성 원리만으로는 설명되지 않음을 시사한다.