[논문 리뷰] The interplay between feedback, accretion, transport and winds in setting gas-phase metal distribution in galaxies

Piyush Sharda, Omri Ginzburg외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 28.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 334인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 은하의 반경 방향 기체상 금속 농도 기울기를 형성하는 데 영향을 미치는 피드백, 응집, 기체 이동 및 은하성 바람 간의 상호작용을 모델링한다. 연구 결과, 관측된 질량-금속도 기울기 관계(MZGR)를 재현하기 위해 피드백, 응집, 이동에 의해 유도되는 난기류가 필수적임을 밝혀냈으며, 특히 저질량 은하에서는 금속으로 농축된 바람이 기울기를 납작하게 만드는 데 핵심적인 역할을 한다.

ABSTRACT

The recent decade has seen an exponential growth in spatially-resolved metallicity measurements in the interstellar medium (ISM) of galaxies. To first order, these measurements are characterised by the slope of the radial metallicity profile, known as the metallicity gradient. In this work, we model the relative role of star formation feedback, gas transport, cosmic gas accretion, and galactic winds in driving radial metallicity profiles and setting the mass-metallicity gradient relation (MZGR). We include a comprehensive treatment of these processes by including them as sources that supply mass, metals, and energy to marginally unstable galactic discs in pressure and energy balance. We show that both feedback and accretion that can drive turbulence and enhance metal-mixing via diffusion are crucial to reproduce the observed MZGR in local galaxies. Metal transport also contributes to setting metallicity profiles, but it is sensitive to the strength of radial gas flows in galaxies. While the mass loading of galactic winds is important to reproduce the mass metallicity relation (MZR), we find that metal mass loading is more important to reproducing the MZGR. Specifically, our model predicts preferential metal enrichment of galactic winds in low-mass galaxies. This conclusion is robust against our adopted scaling of the wind mass-loading factor, uncertainties in measured wind metallicities, and systematics due to metallicity calibrations. Overall, we find that at $z \sim 0$, galactic winds and metal transport are more important in setting metallicity gradients in low-mass galaxies whereas star formation feedback and gas accretion dominate setting metallicity gradients in massive galaxies.

연구 동기 및 목표

• 피드백, 응집, 기체 이동 및 은하성 바람이 은하의 반경 방향 금속 농도 기울기를 결정하는 데 기여하는 상대적 역할을 이해하기 위해.
• 압력과 에너지 균형을 유지하는 자가 일관된 은하 디스크 모델을 사용하여 국지 은하에서 관측된 질량-금속도 기울기 관계(MZGR)를 설명하기 위해.
• MZGR를 재현하기 위해 질량 로딩에 비해 금속 질량 로딩의 중요성을 평가하기 위해.
• 피드백, 응집 및 이동에 의해 유도되는 난기류가 금속 혼합 및 기울기 형성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 바람의 금속 농도, 질량 로딩 스케일링, 금속도 캘리브레이션에 대한 불확실성에 따른 결과의 민감도를 평가하기 위해.

제안 방법

• 모델은 압력과 에너지 균형 상태에서 약간 불안정한 시스템으로 간주하며, 질량, 금속, 에너지가 피드백, 응집, 이동 및 바람에 의해 공급됨을 가정한다.
• 난기류는 피드백, 응집 및 반경 방향 기체 유동에 의해 유도되며, 금속 혼합은 난기류 속도 분산에서 유도된 확산 계수를 통해 모델링된다.
• 바람 질량 로딩 요소는 이론적 제안식(Hayward & Hopkins, 2017; Pandya et al., 2021)을 따르며, 금속 로딩은 별도로 변조하여 그 영향을 테스트한다.
• 모델은 다양한 항성 질량 범위에서 기체 표면 밀도, 속도 분산 및 금속 농도 프로파일을 자가 일관적으로 계산한다.
• 결과는 IFU 스펙트로스코피로부터의 관측된 MZGR와 비교되며, 바람의 금속 농도, 질량 로딩 스케일링, 캘리브레이션 체계 오차에 대한 민감도 테스트가 수행된다.
• 모델은 은하성 바람의 영향을 분리하기 위해 독립적인 처리를 도입하였으며, 동시에 전반적인 비가역성 및 에너지 예산과의 일관성을 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드백, 응집 및 기체 이동이 함께 작용하여 은하의 반경 방향 금속 농도 기울기를 어떻게 형성하는가?
• RQ2 질량-금속도 기울기 관계(MZGR)를 형성하는 데 있어 바람 질량 로딩과 금속 질량 로딩 중 어느 것이 더 중요한가?
• RQ3 왜 저질량 은하에서는 금속 농도 기울기가 더 납작한가? 이러한 행동을 이끄는 물리적 과정은 무엇인가?
• RQ4 저질량 은하에서 바람의 선별적 금속 농축이 바람의 금속 농도 및 질량 로딩 스케일링에 대한 불확실성에도 강인한가?
• RQ5 금속 농도 기울기를 설정하는 데 있어 피드백, 응집 및 이동의 기여 비율은 항성 질량 시퀀스 전반에 걸쳐 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 피드백, 응집 및 기체 이동에 의해 유도되는 난기류의 조합이 고질량 은하에서 관측된 음의 금속 농도 기울기를 재현하기 위해 필수적이다.
• 피드백 또는 응집에 의해 유도되는 난기류만을 고려한 모델은 관측된 것보다 더 납작한 기울기를 예측하므로, 데이터와의 일관성을 확보하기 위해 다수의 추진력이 필요하다는 것을 시사한다.
• 저질량 은하에서 반경 방향 기체 유동에 의한 금속 이동은 금속 농도 기울기를 설정하는 데 중요한 역할을 하지만, 강한 반경 방향 유입이 존재할 경우에만 해당된다.
• 모델은 저질량 은하에서 은하성 바람이 선별적으로 금속으로 농축되어 있음을 예측하며, 이 결과는 바람의 금속 농도, 질량 로딩 스케일링 및 금속도 캘리브레이션의 변화에 대해 강인하다.
• MZGR를 재현하기 위해 질량 로딩보다 금속 질량 로딩이 더 중요하며, 특히 금속 농도 기울기를 낮추고 ISM의 금속 농도를 감소시키는 데서 저질량 은하에서 그 중요성이 두드러진다.
• 고질량 은하에서는 피드백과 응집이 기울기 형성에서 지배적인 역할을 하며, 바람과 이동은 상대적으로 덜 영향을 미친다. 이는 주로 물리적 추진력의 질량 의존적 전환을 강조한다.