[论文解读] 3D elemental abundances of stars at formation across the histories of Milky Way-mass galaxies in the FIRE simulations

Matthew A. Bellardini, Andrew Wetzel+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2022

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 132被引用 37

一句话总结

本研究利用高分辨率FIRE-2宇宙学模拟，对11个银河系和M31质量的星系在恒星形成时的三维元素丰度（[Fe/H]、[Mg/H]、[Mg/Fe]）进行建模。结果表明，径向丰度梯度随时间变陡，方位散度从约116亿年前的~0.17 dex降至现今的~0.04 dex，且约80亿年前之后形成的恒星主要表现出方位方向的丰度变化，为星系考古学中的化学标记提供了关键约束。

ABSTRACT

We characterize the 3-D spatial variations of [Fe/H], [Mg/H], and [Mg/Fe] in stars at the time of their formation, across 11 simulated Milky Way (MW)- and M31-mass galaxies in the FIRE-2 simulations, to inform initial conditions for chemical tagging. The overall scatter in [Fe/H] within a galaxy decreased with time until $\approx 7$ Gyr ago, after which it increased to today: this arises from a competition between a reduction of azimuthal scatter and a steepening of the radial gradient in abundance over time. The radial gradient is generally negative, and it steepened over time from an initially flat gradient $\gtrsim 12$ Gyr ago. The strength of the present-day abundance gradient does not correlate with when the disk `settled'; instead, it best correlates with the radial velocity dispersion within the galaxy. The strength of azimuthal variation is nearly independent of radius, and the 360 degree scatter decreased over time, from $\lesssim 0.17$ dex at $t_{ m lb} = 11.6$ Gyr to $\sim 0.04$ dex at present day. Consequently, stars at $t_{ m lb} \gtrsim 8$ Gyr formed in a disk with primarily azimuthal scatter in abundances. All stars formed in a vertically homogeneous disk, $\Delta$[Fe/H] $\leq 0.02$ dex within $1$ kpc of the galactic midplane, with the exception of the young stars in the inner $\approx 4$ kpc at $z \sim 0$. These results generally agree with our previous analysis of gas-phase elemental abundances, which reinforces the importance of cosmological disk evolution and azimuthal scatter in the context of stellar chemical tagging. We provide analytic fits to our results for use in chemical-tagging analyses.

研究动机与目标

• 表征银河系质量星系中恒星形成时三维空间元素丰度的分布特征。
• 量化径向、垂直和方位方向丰度变化随宇宙时间的演化规律。
• 为初始丰度条件提供解析拟合，以改进星系考古学中的化学标记。
• 检验恒星形成时其丰度代表其局部气体这一假设，并评估方位散度在形成条件中的作用。
• 确定方位丰度均质性可作为化学标记有效假设的转变时间点。

提出的方法

• 利用FIRE-2宇宙学模拟套件对11个银河系和M31质量的星系进行模拟，采用高分辨率流体动力学和恒星反馈模型。
• 通过气相富集模型追踪恒星形成时的元素丰度（[Fe/H]、[Mg/H]、[Mg/Fe]）。
• 在不同回溯时间及星系中心半径下测量径向、垂直和方位方向的丰度散度。
• 对径向丰度剖面拟合分段线性函数，以量化梯度演化。
• 将恒星丰度散度与气相散度进行比较，评估恒星-气体丰度等价假设的有效性。
• 推导出径向梯度和方位散度随回溯时间变化的解析拟合公式，用于化学标记模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系质量星系中，恒星元素丰度的径向、垂直和方位梯度如何随时间演化？
• RQ2 恒星中方位丰度散度的减小 timescale 是什么？与气相散度相比如何？
• RQ3 径向和方位丰度变化的强度如何与星系动力学及结构演化相关联？
• RQ4 在不同时间形成的恒星在三维空间中表现出的丰度分布是均匀还是非均匀的？
• RQ5 在哪个回溯时间点，方位丰度均质性假设可被视为化学标记的有效前提？

主要发现

• 在[Fe/H]中，径向丰度梯度最初在120亿年前呈平坦状态，随后随时间变陡，在约70亿年前达到最负值，之后略有变平，趋近于当前状态。
• 在[Fe/H]中的方位散度从116亿年前的≲0.17 dex降至现今的∼0.04 dex，表明约80亿年前之后形成的恒星诞生于以方位变化为主的星盘中。
• 垂直丰度梯度极小，在中平面附近1 kpc范围内∆[Fe/H] ≤ 0.02 dex，仅在内区约4 kpc内，年轻恒星表现出微弱的垂直梯度。
• 当前径向丰度梯度的强度与星系的径向速度弥散度相关性最强，而非与盘面稳定下来的时间相关。
• 在大回溯时间及大半径下，恒星的方位散度系统性小于气体，表明恒星形成区域的气体比其产生的恒星更具空间异质性。
• 恒星中方位丰度均质性的转变回溯时间为约80亿年前，比气体的相应转变时间早约10亿年，表明恒星形成时的丰度空间分布比其母气体更均匀。