[논문 리뷰] Stochastic processes, galactic star formation, and chemical evolution. Effects of accretion, stripping, and collisions in multiphase multi-zone models

G. Valle, S. N. Shore외 1명|ArXiv.org|2005. 02. 10.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 32인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 닫힌 시스템과 열린 시스템 모두에서 은하화학진화의 확률적이고 다단계, 다영역 모델을 제시한다. 즉, 수축, 탈가스, 충돌 사건을 시뮬레이션한다. 즉각적인 재순환을 고려하지 않고 별 형성률과 중성도 역사를 추적함으로써, 특히 경량 원소에 대해 복잡한 확률적 가스 유입 및 유출 피드백으로 인해 현재의 원소 농도 측정치로부터 별 형성 역사는 유일하게 재구성될 수 없다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

This paper reports simulations allowing for stochastic accretion and mass loss within closed and open systems modeled using a previously developed multi-population, multi-zone (halo, thick disk, thin disk) treatment. The star formation rate is computed as a function of time directly from the model equations and all chemical evolution is followed without instantaneous recycling. Several types of simulations are presented here: (1) a closed system with bursty mass loss from the halo to the thick disk, and from the thick to the thin disk, in separate events to the thin disk; (2) open systems with random environmental (extragalactic) accretion, e.g. by infall of high velocity clouds directly to the thin disk; (3) schematic open system single and multiple collision events and intracluster stripping. For the open models, the mass of the Galaxy has been explicitly tracked with time. We present the evolution of the star formation rate, metallicity histories, and concentrate on the light elements. We find a wide range of possible outcomes, including an explanation for variations in the Galactic D/H ratio, and highlight the problems for uniquely reconstructing star forming histories from contemporary abundance measurements.

연구 동기 및 목표

• 확률적 과정, 예를 들어 수축, 탈가스, 충돌이 다단계, 다영역 모델에서 은하화학진화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 현재 원소 농도 측정치로부터 별 형성 역사를 유일하게 재구성하는 데의 한계를 평가하기 위해.
• 수축된 가스의 중성도 변화와 환경 유입 시점의 변화가 중성도 진화와 별 형성률에 미치는 영향을 탐색하기 위해.
• 충돌에 의해 유도된 탈가스와 그 후 재수축의 병합된 영향을 화학적 및 역학적 진화에 모델링하기 위해.
• 심지어 개략적인 모델이라도 은하진화에서 더 복잡한 유체역학적 및 핵합성 시뮬레이션을 안내할 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 세 단계(희박한 기체, 구름, 별/잔여물)와 세 영역(하이알, 두꺼운 디스크, 얇은 디스크)을 포함하는 다집단, 다영역 프레임워크를 사용한다.
• 사전에 시간 역사를 가정하지 않고, 모델 방정식에서 동적으로 별 형성률을 계산한다.
• 즉각적인 재순환 없이, 시간에 따라 변화하는 죽음과 복귀 비율을 사용하여 질량과 중성도 진화를 추적한다.
• 다양한 중성도(초기, 0.1 Z⊙, Z⊙)와 지속 시간을 가진 확률적 수축 사건을 시뮬레이션하며, 충돌 후 재수축도 포함한다.
• 최대 40%의 초기 질량 손실이 수반되는 충돌 사건을 모델링하며, 다양한 시점과 중성도를 가진 탈가스 및 재수축을 고려한다.
• 다양한 환경 조건 하에서 도출된 SFR, 중성도 역사, 특히 헬륨 이외의 경량 원소 진화(특히 D/H 비율)를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확률적 수축과 질량 손실 사건은 은가계 시스템의 시간에 따라 변화하는 별 형성률과 중성도 진화에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 은하의 별 형성 역사는 현재의 원소 농도 측정치로부터 얼마나 정확히 유일하게 재구성될 수 있는가?
• RQ3 수축된 가스의 중성도 변화와 유입 시점의 변화는 얇은 디스크의 중성도 진화와 SFR에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 충돌에 의해 유도된 탈가스 이후 재수축은 디스크의 중성도-연령 관계에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 충돌 후 시스템은 이중 빨간 거성 기둥이나 반전된 연령-중성도 관계를 보일 수 있는 비정상적인 색도-등급도를 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 확률적 수축과 탈가스 사건은 비단조화적인 중성도 진화를 유도하며, 중성도가 낮은 것보다 더 오래된 중성도가 높은 인구를 생성할 수 있어 표준 기대와 반대되는 결과를 낳을 수 있다.
• D/H 비율은 수축의 시점과 중성도에 따라 상당한 변동을 보이며, 은하에서 관측된 변동성에 대한 가능한 설명이 될 수 있다.
• 충돌 중 최대 40%의 질량 손실이 발생하더라도, 수축된 가스가 매우 중성도가 낮지 않은 한 중성도는 원래 값의 60% 이하로 떨어지지 않으며, 이는 화학적 서명의 회복력이 있음을 시사한다.
• 충돌 후 원시 가스의 재수축은 '역방향 폭발' 행동을 유도할 수 있으며, 이는 침체 기간 이후에 더 어린, 더 낮은 중성도의 별들이 형성됨을 의미한다.
• 탈가스와 재수축의 병합 효과는 특히 빠르고 중성도가 높은 재수축이 이루어질 경우, 이중 빨간 거성 기둥을 포함한 비정상적인 색도-등급도를 생성할 수 있다.
• 모델은 동일한 최종 농도 분포가 여러 개별적인 별 형성 역사로부터 유래할 수 있음을 보여주며, 현재 데이터로부터의 재구성의 유일성에 의문을 제기한다.