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

Alexander B. Gurvich, Jonathan Stern+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2022

Astrophysics and Star Formation Studies被引用 4

一句话总结

本研究利用高分辨率FIRE-2宇宙学模拟，表明银河系质量星系在红移z ≈ 0.5至0.8之间约10亿年的时标内，经历从爆发性、团块状恒星形成向稳定、旋转支持的盘状结构的转变。关键发现是，星际介质（ISM）中的旋转支持迅速出现，并与内环星系介质（CGM）中的热能支持同时发生，这挑战了高红移前体星系的平衡盘模型假设。

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.

研究动机与目标

• 理解银河系质量星系从爆发性、团块状恒星形成向稳定、旋转支持盘状结构转变的物理机制。
• 研究星际介质（ISM）中旋转支持的作用及其与环星系介质（CGM）演化之间的关联。
• 通过分析ISM和CGM的能量预算与形态，挑战高红移前体星系适用平衡盘模型的假设。
• 确定向稳定盘结构的转变是否与内CGM的维里化及热压力支持的出现相关。
• 建立盘面稳定化、ISM运动学与早期星系形成中反馈驱动流演化之间的物理解耦。

提出的方法

• 分析三个在z = 0时的银河系质量星系的高分辨率FIRE-2聚焦模拟，重点研究ISM运动学与能量预算的演化。
• 追踪恒星形成率（SFR）可变性的时序演化，识别从爆发性到稳定SFR的转变红移。
• 计算ISM与内CGM中的动能、热能与引力势能分量，以评估支持机制（旋转、湍流、压力）。
• 使用三维空间与运动学分解方法，识别旋转支持盘的出现，并将其与湍流主导、球状形态区分开来。
• 在盘面稳定前后比较ISM与内CGM的能量支持机制，评估ISM与CGM之间的边界。
• 将ISM中旋转支持的出现与内CGM中热压力支持的转变相关联，检验CGM维里化作为驱动盘面稳定化的假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 在FIRE-2模拟中，银河系质量星系在哪个红移处从爆发性恒星形成过渡到稳定恒星形成？
• RQ2 在盘面稳定过程中，ISM中旋转支持迅速出现的物理机制是什么？
• RQ3 在从爆发性到稳定恒星形成的过程中，ISM与内CGM的能量预算如何演化？
• RQ4 在盘面稳定前，ISM与内CGM在湍流与有序流共同支持下，其可区分程度如何？
• RQ5 内CGM的维里化——以热压力支持为标志——是否与ISM中旋转支持的出现同时发生？

主要发现

• 所有三个模拟的银河系质量星系均在z = 0.5至z = 0.8之间从爆发性恒星形成过渡到稳定恒星形成，该过程持续约10亿年。
• 在转变期间，ISM中的旋转支持迅速增强，最终占ISM总动能与热能的90%以上。
• 在盘面稳定之前，ISM呈准球状，主要受湍流与有序流主导，旋转能量处于次要地位。
• 旋转支持ISM的出现与内CGM中热压力支持的出现同时发生，表明内CGM同步实现维里化。
• 在盘面稳定之前，ISM与内CGM之间无明显边界，因为两者均受整体流动支持，而非稳定的旋转或热平衡。
• 研究结果挑战了高红移银河系前体星系适用平衡盘模型的假设，因为旋转支持在形成过程后期才建立。