[论文解读] The Three-Phase Evolution of the Milky Way

Vedant Chandra, Vadim A. Semenov+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 7

一句话总结

本文基于盖亚XP光谱的1000万颗红巨星数据，提出银河系的形成历史可分为三个阶段：原星系、古老高α盘和年轻低α盘。研究识别出自转加速、星系并合与冷却为关键物理驱动力，其中TNG50模拟显示约70亿年前发生了一次富含气体的并合事件，成功解释了从高温、倾角较大的盘到低温、有序盘的运动学转变，与观测到的角动量和金属度趋势高度吻合。

ABSTRACT

We illustrate the formation and evolution of the Milky Way over cosmic time, utilizing a sample of 10 million red giant stars with full chemodynamical information, including metallicities and $α$-abundances from low-resolution Gaia XP spectra. The evolution of angular momentum as a function of metallicity - a rough proxy for stellar age, particularly for high-[$α$/Fe] stars - displays three distinct phases: the disordered and chaotic protogalaxy, the kinematically-hot old disk, and the kinematically-cold young disk. The old high-$α$ disk starts at [Fe/H] $\approx -1.0$, 'spinning up' from the nascent protogalaxy, and then exhibits a smooth 'cooldown' toward more ordered and circular orbits at higher metallicities. The young low-$α$ disk is kinematically cold throughout its metallicity range, with its observed properties modulated by a strong radial gradient. We interpret these trends using Milky Way analogs from the TNG50 cosmological simulation, identifying one that closely matches the kinematic evolution of our Galaxy. This halo's protogalaxy spins up into a relatively thin and misaligned high-$α$ disk at early times, which is subsequently heated and torqued by a major gas-rich merger. The merger contributes a large amount of low-metallicity gas and angular momentum, from which the kinematically cold low-$α$ stellar disk is subsequently born. This simulated history parallels several observed features of the Milky Way, particularly the decisive 'GSE' merger that likely occurred at $z \approx 2$. Our results provide an all-sky perspective on the emerging picture of our Galaxy's three-phase formation, impelled by the three physical mechanisms of spinup, merger, and cooldown.

研究动机与目标

• 利用1000万颗红巨星的完整化学动力学数据，重建银河系的形成历史。
• 识别驱动原始混沌原星系向运动学冷盘转变的物理机制。
• 检验单一主要并合事件是否能解释银河系盘结构的观测运动学与化学特征。
• 通过识别具有匹配运动学演化特征的银河系类地天体，验证观测到的三阶段演化。

提出的方法

• 利用1000万颗红巨星的完整化学动力学数据，包括低分辨率盖亚XP光谱获得的金属度与α元素丰度。
• 通过金属度函数追踪角动量，以推断盘内恒星的年龄与运动学演化。
• 基于结构与演化相似性，而非仅当前形态，从TNG50宇宙学模拟中筛选银河系类地天体。
• 分析最佳匹配模拟星系（#519311）的时间演化过程，追踪盘的形成阶段与并合事件的影响。
• 通过圆形率-金属度与角动量-金属度分布图量化运动学转变，识别出三个明确的演化阶段。
• 将模拟的盘运动学与金属度梯度与银河系中观测到的趋势进行比较，特别关注年轻盘的径向金属度梯度。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中恒星的角动量如何随金属度演化？这揭示了其形成历史的哪些信息？
• RQ2 自转加速、并合或冷却等物理机制中，哪一种驱动了从混沌原星系向运动学冷盘的转变？
• RQ3 一次富含气体的主要并合事件是否能解释银河系古老盘与年轻盘的观测运动学与化学结构？
• RQ4 是否存在一个TNG50模拟星系，能够重现银河系中观测到的三阶段运动学演化？
• RQ5 年轻盘中观测到的径向金属度梯度如何调制其运动学特性？

主要发现

• 银河系的演化表现出三个明确阶段：无序的原星系、通过早期自转加速形成的运动学热态古老高α盘，以及在主要并合后形成的运动学冷态年轻低α盘。
• 古老高α盘在[Fe/H] ≈ -1.0处形成，并由原星系自转加速，随金属度增加逐渐过渡到更圆形的轨道。
• 年轻低α盘在其金属度范围内表现出平滑且运动学冷态的分布特征，其特性受强烈的径向金属度梯度调制。
• 单一TNG50模拟星系（#519311）与观测到的三阶段运动学演化高度匹配，其在约70亿年前发生了一次富含气体的主要并合事件。
• 此次并合使古老的高α盘被加热并倾斜，同时提供了低金属度气体与角动量，促成了冷态、低α盘的形成。
• 模拟星系表明，周围盘的外部作用力可使原本各向同性的原星系物质诱导出净旋转，且一次主要并合事件可同时形成空间上厚的盘与原位晕成分。