[논문 리뷰] Rapid disc settling and the transition from bursty to steady star formation in Milky Way-mass galaxies

Alexander B. Gurvich, Jonathan Stern외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 08.

Astrophysics and Star Formation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 고해상도 FIRE-2 천체역학 시뮬레이션을 사용하여 은하수 질량을 가진 은하들이 z ≈ 0.5에서 0.8 사이의 약 1 Gyr 동안 폭발적인, 덩어리진 별 형성에서 안정적이고 회전으로 지지되는 디스크로 전이됨을 보여준다. 주요 발견은 ISM에서의 회전으로 지지되는 성질이 빠르게 나타나고 내부 CGM에서의 열에너지 지지와 동시에 발생함을 보여주며, 고적성 은하의 조상에 대해 평형 디스크 모델을 적용하는 것을 도전한다.

ABSTRACT

Recent observations and simulations indicate substantial evolution in the properties of galaxies with time, wherein rotationally-supported and steady thin discs (like those frequently observed in the local universe) emerge from galaxies that are clumpy, irregular, and have bursty star formation rates (SFRs). To better understand the progenitors of local disc galaxies we carry out an analysis of three FIRE-2 simulated galaxies with a mass similar to the Milky Way at redshift z=0. We show that all three galaxies transition from bursty to steady SFRs at a redshift between z=0.5 and z=0.8, and that this transition coincides with a rapid (< ~1 Gyr) emergence of a rotationally-supported interstellar medium (ISM).In the late phase with steady SFR, the rotational energy comprises > ~90% of the total kinetic + thermal energy in the ISM, and is roughly half the gravitational energy. By contrast, during the early phase with bursty star formation, the ISM has a quasi-spheroidal morphology and its energy budget is dominated by quasi-isotropic flows including turbulence and coherent inflows/outflows. This result, that rotational support is subdominant at early times, challenges the common application of equilibrium disc models to the high-redshift progenitors of Milky Way-like galaxies. We further find that the formation of a rotation-supported ISM coincides with the formation of a thermal energy-supported inner circumgalactic medium (CGM). Before this transition, the inner CGM is also supported by turbulence and coherent flows, indicating that at early times there is no clear boundary between the ISM and inner CGM.

연구 동기 및 목표

• 은하수 질량을 가진 은하에서 폭발적인, 덩어리진 별 형성에서 안정적이고 회전으로 지지되는 디스크로의 전이를 이끄는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해.
• 은하간매질(ISM)에서의 회전으로 지지되는 성질이 은하주변매질(CGM)의 진화와 어떻게 연결되어 있는지 조사하기 위해.
• 고적성 은하의 조상에 대해 평형 디스크 모델이 적용된다는 가정을 분석함으로써 도전하기 위해, ISM 및 CGM의 에너지 예산과 형태학적 특성에 초점을 맞추기 위해.
• 안정적인 디스크로의 전이가 내부 CGM의 비르발화와 열압력 지지의 등장과 관련이 있는지 확인하기 위해.
• 초기 은하 형성에서 피드백 유동의 진화, 디스크 정착, ISM 운동학과의 물리적 연결 고리를 설정하기 위해.

제안 방법

• z = 0에서의 은하수 질량을 가진 은하에 대한 세 개의 고해상도 FIRE-2 줌인 시뮬레이션을 분석하여, ISM 운동학과 에너지 예산의 진화를 집중적으로 연구하기 위해.
• 별 형성률(SFR)의 변동성을 추적하여 폭발적인 SFR에서 안정적인 SFR로의 전이 적성에 도달하는 시점을 특정하기 위해.
• ISM 및 내부 CGM에서의 운동에너지, 열에너지, 중력에너지 성분을 계산하여 지지 메커니즘(회전, 난류, 압력)을 평가하기 위해.
• 3차원 공간적 및 운동학적 분해를 사용하여 회전으로 지지되는 디스크의 등장을 식별하고, 난류적이고 구형 형태의 구조와 구별하기 위해.
• 디스크 정착 이전과 이후의 ISM 및 내부 CGM에서의 에너지 지지 메커니즘을 비교하여 ISM과 CGM 사이의 경계를 평가하기 위해.
• ISM에서의 회전으로 지지되는 성질의 등장과 내부 CGM에서의 열압력 지지의 전이 사이의 상관관계를 분석하여, CGM의 비르발화가 디스크 정착의 원동력이라는 가설을 검증하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FIRE-2 시뮬레이션에서 은하수 질량을 가진 은하가 폭발적인 별 형성에서 안정적인 별 형성으로 전이되는 적성은 언제인가요?
• RQ2 디스크 정착 기간 동안 ISM에서의 회전으로 지지되는 성질이 급격히 나타나는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
• RQ3 폭발적인 별 형성에서 안정적인 별 형성으로의 전이 기간 동안 ISM 및 내부 CGM의 에너지 예산은 어떻게 변화하는가요?
• RQ4 폭발적인 별 형성에서 안정적인 별 형성으로의 전이 이전에, ISM과 내부 CGM는 난류적이고 일관된 유동에 의해 지지되므로, 둘을 어떻게 명확히 구분할 수 있나요?
• RQ5 내부 CGM의 비르발화—열압력 지지로 표시됨—는 ISM에서의 회전으로 지지되는 성질의 등장과 동시에 발생하는가요?

주요 결과

• 모든 세 개의 시뮬레이션된 은하수 질량을 가진 은하들이 z = 0.5에서 z = 0.8 사이의 약 1 Gyr 동안 폭발적인 별 형성에서 안정적인 별 형성으로 전이되며, 이 전이 기간은 약 1 Gyr이다.
• 전이 기간 동안 ISM에서의 회전으로 지지되는 성질이 급격히 증가하여, 결국 ISM의 총 운동에너지 + 열에너지의 90% 이상를 차지하게 된다.
• 디스크 정착 이전에는 ISM가 준구형이며 난류적이고 일관된 유동에 의해 지배되며, 회전 에너지는 열등한 기여를 한다.
• 회전으로 지지되는 ISM로의 전이가 내부 CGM에서의 열압력 지지의 등장과 동시에 발생함을 보여주며, 이는 내부 CGM가 동시에 비르발화됨을 시사한다.
• 디스크 정착 이전에는 ISM와 내부 CGM 사이에 명확한 경계가 없으며, 둘 다 안정적인 회전 또는 열평형이 아닌 대체로 대규모 유동에 의해 지지되기 때문이다.
• 결과적으로, 회전으로 지지되는 성질가 형성되기 전까지는 빠르게 형성되는 것이므로, 고적성 은하의 조상에 대해 평형 디스크 모델을 적용하는 것은 도전받을 수 있다.