[论文解读] Cold accretion flows and chemical bimodality of the Milky Way galaxy

Masafumi Noguchi|arXiv (Cornell University)|Sep 7, 2018

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 5被引用 15

一句话总结

本文提出，冷吸积流——未加热的原初气体直接落入星系盘——可解释银河系恒星族中观测到的化学双峰性。首次恒星形成活动由真实的冷流驱动，产生高[α/Fe]恒星；随后较慢冷却的加热气体阶段形成低[α/Fe]恒星，自然解释了双峰分布及空间丰度变化。

ABSTRACT

Abundance of chemical elements in the stars provides important clues regarding galaxy formation. The most powerful diagnostics is the relative abundance of α-elements (O, Mg, Si, S, Ca, and Ti) with respect to iron (Fe), [α/Fe], each of which is produced by different kinds of supernovae. The existence of two distinct groups of stars in the solar neighbourhood, one with high [α/Fe] and another with low [α/Fe], suggests that the stars in the solar vicinity have two different origins. However, the specific mechanism of the realization of this bimodality is unknown. Here, we show that the cold flow hypothesis recently proposed for the accretion process of primordial gas onto forming galaxies predicts two episodes of star formation separated by a hiatus 6-7 Gyr ago and naturally explains the observed chemical bimodality. We found that the first phase of star formation that forms high [α/Fe] stars is caused by the 'genuine' cold flow, in which unheated primordial gas accretes to the galactic disk in a freefall fashion. The second episode of star formation that forms low [α/Fe] stars is sustained by much slower gas accretion as the once-heated gas gradually cools by radiation. The cold flow hypothesis can also explain the large-scale variation in the abundance pattern observed in the Milky Way galaxy in terms of the spatial variation of gas accretion history.

研究动机与目标

• 解释银河系恒星族中观测到的化学双峰性的起源，特别是太阳邻域恒星中[α/Fe]的双峰分布。
• 研究冷吸积流是否能解释具有高[α/Fe]和低[α/Fe]比值的两组恒星族。
• 探讨银河系盘面不同区域丰度模式的空间变化如何通过气体吸积历史的差异来解释。
• 检验假设：两次恒星形成事件（相隔6–7 Gyr的间歇期）由不同的吸积模式驱动。

提出的方法

• 使用冷流假说模拟原初气体向银河系的吸积，即未加热气体自由落入星系盘。
• 模拟从初始冷流吸积向先前加热气体缓慢冷却阶段的转变过程。
• 通过建模超新星爆发产物追踪化学增益历史：II型超新星负责α元素，Ia型超新星负责铁，二者共同决定[α/Fe]比值。
• 利用流体动力学模拟追踪气体温度、密度和金属度随时间的演化。
• 将模拟得到的[α/Fe]分布与太阳邻域的观测恒星数据及径向丰度梯度进行比较。
• 分析气体吸积历史的空间变化，以解释银河系盘面观测到的丰度模式。

实验结果

研究问题

• RQ1 冷吸积流是否能自然产生银河系中具有高[α/Fe]和低[α/Fe]比值的两组恒星族？
• RQ2 导致观测到的化学双峰性的两次恒星形成事件之间，其物理机制是什么？
• RQ3 从冷流吸积向缓慢冷却的加热气体过渡，如何解释恒星形成中6–7 Gyr的间歇期？
• RQ4 局部气体吸积历史的差异在多大程度上可解释银河系中[α/Fe]的空间变化？
• RQ5 冷流模型是否能重现太阳邻域观测到的径向丰度梯度和双峰分布？

主要发现

• 冷流假说成功再现了太阳邻域观测到的[α/Fe]双峰分布，表现出两组截然不同的恒星族。
• 首次恒星形成活动由真实冷流驱动，因II型超新星快速、早期的增益，产生高[α/Fe]恒星。
• 第二次恒星形成活动由缓慢冷却的先前加热气体维持，因Ia型超新星铁增益延迟，导致低[α/Fe]恒星。
• 该模型将两次活动之间6–7 Gyr的间歇期解释为冷流向加热气体吸积转变的自然结果。
• 银河系盘面中丰度模式的空间变化，可通过模型预测的局部气体吸积历史差异得到一致解释。
• 该模型在无需外部触发或复杂并合历史的前提下，为双峰性及[α/Fe]的大尺度径向趋势提供了自洽的解释。