[论文解读] Metallicity Gradients in Disks: Do Galaxies Form Inside-Out?

K. Pilkington, C. G. Few+14 more|LA Referencia (Red Federada de Repositorios Institucionales de Publicaciones Científicas)|Jan 30, 2012

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 68被引用 118

一句话总结

本研究利用25个宇宙学流体动力学模拟和两种化学演化模型，调查了盘星系中的金属丰度梯度，发现尽管所有模型均遵循‘由内而外’形成范式，但恒星形成效率分布的不同导致了梯度演化差异。研究发现，基于SPH的模拟在高红移时产生更陡峭的金属丰度梯度，与近期z ~ 1.5的观测结果一致，表明需要修订经典化学演化模型，以更好地匹配观测到的梯度演化特征。

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.

研究动机与目标

• 解决观测到的盘星系金属丰度梯度与经典‘由内而外’形成模型预测之间的差异。
• 研究流体动力学模拟中亚网格物理过程对径向和垂直金属丰度梯度演化的影响。
• 比较宇宙学模拟与解析化学演化模型中金属丰度梯度的时间演化。
• 评估高红移（z ~ 1.5）观测到的梯度是否与模拟的梯度演化模式一致。
• 确定恒星形成效率分布在此类不同模拟代码中对梯度演化多样性的影响。

提出的方法

• 使用25个宇宙学盘星系模拟：19个来自RaDES样本（RAMSES-AMR代码），6个来自MUGS样本（GASPER-SPH代码），另加两个基于SPH的模拟（gcd+ 和 grape-SPH）。
• 将模拟得到的径向和垂直金属丰度梯度与两种经典化学演化模型（Chiappini et al. 2001；Mollá & Díaz 2005）的结果进行比较。
• 追踪金属丰度梯度随时间的演化，重点关注年轻与年老恒星群体之间的差异以及不同红移下的表现。
• 分析1–3个盘尺度长度处的垂直丰度梯度，以与银河系厚盘观测结果进行对比。
• 量化梯度斜率的变化速率，并评估亚网格物理过程对梯度演化的影响。
• 利用高红移星系的观测约束（如Yuan et al. 2011）来检验模型与z ~ 1.5数据的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与经典化学演化模型相比，宇宙学流体动力学模拟中径向金属丰度梯度如何演化？
• RQ2 为何采用不同亚网格物理过程的模拟尽管均遵循‘由内而外’范式，却产生不同的梯度演化模式？
• RQ3 在高红移（z ~ 1.5）盘星系中观测到的更陡峭金属丰度梯度是否与当前模拟代码的预测一致？
• RQ4 模拟中年老与年轻恒星的梯度在多大程度上反映了银河系中梯度变平的观测特征？
• RQ5 恒星形成效率的径向依赖性在决定金属丰度梯度的形状与演化中起到何种作用？

主要发现

• 基于SPH的模拟（MUGS、gcd+、grape-SPH）在高红移（z ~ 1.5）时产生的径向金属丰度梯度系统性地比AMR基模拟（RaDES）更陡峭，与高红移旋涡星系的观测结果一致。
• MUGS模拟的金属丰度梯度演化速度远快于RaDES和化学演化模型，其驱动力来自亚网格物理过程与恒星形成效率分布的差异。
• 尽管演化路径不同，所有模型最终收敛至相似的当前径向梯度（~ -0.05 dex/kpc），表明晚型盘星系具有自相似性。
• 模拟中的垂直丰度梯度与银河系厚盘在1–3个盘尺度长度处的观测值相当接近，尽管受限于空间分辨率，难以清晰区分薄盘与厚盘。
• Chiappini et al. (2001) 化学演化模型独特地从正梯度开始，随时间演化为负梯度，与其他模型不同。
• 不同模拟中梯度演化多样性的现象表明，亚网格物理过程——尤其是恒星形成与反馈——决定了梯度演化的幅度与方向，而不仅仅是‘由内而外’范式本身。