[论文解读] Growing Pains: The Formation Times and Building Blocks of Milky Way-mass Galaxies in the FIRE Simulations

Isaiah B. Santistevan, Andrew Wetzel+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2020

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 8被引用 5

一句话总结

本研究利用FIRE-2宇宙学模拟追踪银河系和M31质量系统的形成时间和前身星系，发现其主要前身星系通常在z ≈ 3–4（约116–122亿年前）形成，其中内区星族系统在z ≈ 4（超过122亿年前）时由单一主导前身星系形成。环境显著影响早期形成过程，典型银河系/M31质量系统约有100个前身星系参与，表明现存卫星星系仅是真实前身星系群体的极不完整记录。

ABSTRACT

Surveys of the Milky Way (MW) and M31 enable detailed studies of stellar populations across ages and metallicities, with the goal of reconstructing histories across cosmic time. These surveys motivate key questions for galactic archaeology in a cosmological context: when did the main progenitor of a MW/M31-mass galaxy form, and what were the galactic building blocks that formed it? We investigate the times and progenitor galaxies of MW/M31-mass galaxies using the FIRE-2 cosmological simulations, including 6 isolated MW/M31-mass galaxies and 6 galaxies in Local Group (LG)-like pairs at z = 0. We examine main progenitor formation based on two metrics: (1) transition from primarily ex-situ to in-situ stellar mass growth and (2) mass dominance compared to other progenitors. We find that the main progenitor of a MW/M31-mass galaxy emerged typically at z ~ 3-4 (11.6-12.2 Gyr ago), while stars in the bulge region (inner 2 kpc) at z = 0 formed primarily in a single main progenitor at z 4 (> 12.2 Gyr ago). This highlights the importance of environment in MW/M31-mass galaxy formation, especially at early times. Overall, about 100 galaxies with M_star > 10^5 M_sun formed a typical MW/M31-mass system. Thus, surviving satellites represent a highly incomplete census (by ~ 5x) of the progenitor population.

研究动机与目标

• 利用宇宙学模拟确定银河系和M31质量星系的形成时间和前身星系。
• 研究环境背景（孤立系统与本地星系群类似双星系）对银河系/M31质量星系形成历史的影响。
• 量化典型银河系/M31质量系统中贡献的前身星系数量与性质，尤其与观测到的现存卫星星系进行比较。
• 利用恒星质量增长指标评估现存卫星星系群体作为完整前身星系群体代理的完整性。

提出的方法

• 利用FIRE-2宇宙学模拟，包含6个孤立系统和6个本地星系群类似双星系的银河系/M31质量星系，红移z = 0。
• 采用两种指标定义主要前身星系的形成：恒星质量增长从外源（ex-situ）向原位（in-situ）转变，以及在质量上主导其他前身星系。
• 通过识别每个红移下基于恒星质量贡献的主要前身星系，追踪星系的组装历史。
• 分别分析主要前身星系和内区2 kpc区域（星族系统）的形成红移，以评估早期形成 timescales。
• 统计对最终银河系/M31质量系统有贡献的所有前身星系（M_star > 10^5 M_sun）的总数。
• 将前身星系数量与现存卫星数量进行比较，以估算观测卫星星系普查的不完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于恒星质量增长转变，银河系或M31质量星系的主要前身星系通常在哪个红移形成？
• RQ2 与孤立星系相比，本地星系群类似双星系中主要前身星系的形成历史有何不同？
• RQ3 银河系/M31质量星系内区2 kpc（星族系统）最终恒星质量的多少比例来自单一主导前身星系？这一过程发生在哪个红移？
• RQ4 有多少个前身星系（M_star > 10^5 M_sun）参与了典型银河系/M31质量系统的形成？与现存卫星数量相比如何？
• RQ5 观测到的现存卫星星系在多大程度上能代表银河系/M31质量星系的完整前身星系群体？

主要发现

• 银河系或M31质量星系的主要前身星系通常在红移z ≈ 3–4形成，对应约116–122亿年前。
• 这些星系内区2 kpc（星族系统）的恒星主要形成于一个单一主导前身星系，红移z ≈ 4，表明其形成时间早于122亿年前。
• 环境在早期星系形成中起着显著作用，本地星系群类似双星系的组装历史与孤立系统存在明显差异。
• 约有100个恒星质量超过10^5 M_sun的星系参与了典型银河系/M31质量系统的形成。
• 现存卫星星系群体仅代表总前身星系群体的约1/5，表明银河系和M31的构建过程所涉及的星系群体是高度不完整的。
• 从外源到原位恒星质量增长的转变标志着主要前身星系的形成时期，该转变在样本中普遍发生在z ≈ 3–4。