[论文解读] Characterizing the Infall Times and Quenching Timescales of Milky Way Satellites with $Gaia$ Proper Motions

Sean P. Fillingham, Michael C. Cooper+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 6被引用 30

一句话总结

本研究利用盖亚DR2自行数据与宇宙学模拟，约束了37个银河系卫星星系的落入时间和熄灭 timescale。结果表明，约70%的经典矮星系在落入后迅速熄灭（τ_quench ≲ 2 Gyr），而超微弱矮星系则显示出早期因再电离而熄灭的证据，支持在M⋆ ≲ 10⁵ M☉处存在质量尺度的转变。

ABSTRACT

Observations of low-mass satellite galaxies in the nearby Universe point towards a strong dichotomy in their star-forming properties relative to systems with similar mass in the field. Specifically, satellite galaxies are preferentially gas poor and no longer forming stars, while their field counterparts are largely gas rich and actively forming stars. Much of the recent work to understand this dichotomy has been statistical in nature, determining not just that environmental processes are most likely responsible for quenching these low-mass systems but also that they must operate very quickly after infall onto the host system, with quenching timescales $\lesssim 2~ { m Gyr}$ at ${M}_{\star} \lesssim 10^{8}~{ m M}_{\odot}$. This work utilizes the newly-available $Gaia$ DR2 proper motion measurements along with the Phat ELVIS suite of high-resolution, cosmological, zoom-in simulations to study low-mass satellite quenching around the Milky Way on an object-by-object basis. We derive constraints on the infall times for $37$ of the known low-mass satellite galaxies of the Milky Way, finding that $\gtrsim~70\%$ of the `classical' satellites of the Milky Way are consistent with the very short quenching timescales inferred from the total population in previous works. The remaining classical Milky Way satellites have quenching timescales noticeably longer, with $τ_{ m quench} \sim 6 - 8~{ m Gyr}$, highlighting how detailed orbital modeling is likely necessary to understand the specifics of environmental quenching for individual satellite galaxies. Additionally, we find that the $6$ ultra-faint dwarf galaxies with publicly available $HST$-based star-formation histories are all consistent with having their star formation shut down prior to infall onto the Milky Way -- which, combined with their very early quenching times, strongly favors quenching driven by reionization.

研究动机与目标

• 利用盖亚DR2自行测量结果确定银河系卫星星系的落入时间。
• 通过结合落入时间与哈勃空间望远镜（HST）星族形成历史，约束单个卫星的熄灭 timescale。
• 检验在低质量矮星系中，环境熄灭机制还是再电离主导熄灭机制。
• 通过将统计熄灭模型应用于具有改进轨道约束的单个天体，评估其有效性。
• 识别再电离成为超微弱矮星系主导熄灭机制的质量尺度。

提出的方法

• 利用PHAT ELVIS系列高分辨率宇宙学聚焦模拟，将子晕束缚能与落入时间关联。
• 采用基于相空间的方法，利用六维轨道信息（位置与速度）估算落入时间，相比仅使用径向速度的方法精度更高。
• 将Fritz等人（2018）提供的盖亚DR2自行测量数据与模拟的轨道轨迹结合，推断每个卫星最可能的落入时间。
• 利用HST星族形成历史（SFHs）确定37个距离300 kpc以内的卫星在落入后熄灭时间的相对关系。
• 将推断的熄灭 timescale 与环境熄灭和再电离驱动熄灭的理论模型进行比较。
• 通过模拟子晕验证该方法，结果表明引入切向速度可将落入时间估算中的灾难性失败率从约30%降低至约20%。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于盖亚DR2自行数据，单个银河系卫星星系的落入时间为何？
• RQ2 经典矮星系与超微弱矮星系的熄灭 timescale 与落入后约2 Gyr内快速熄灭的理论预测相比如何？
• RQ3 超微弱矮星系中的熄灭在多大程度上与再电离一致，而非环境过程？
• RQ4 观测到的熄灭行为是否支持在M⋆ ≲ 10⁵ M☉处发生主导熄灭机制的转变？
• RQ5 基于单个天体的轨道建模能否解决早期统计研究中发现的熄灭 timescale 不一致问题？

主要发现

• 约70%的经典银河系卫星星系的熄灭 timescale 与快速环境熄灭一致，τ_quench ≲ 2 Gyr，发生在落入之后。
• 其余经典矮星系表现出显著更长的熄灭 timescale，τ_quench ≈ 6–8 Gyr，表明详细轨道建模对准确估算熄灭时间至关重要。
• 所有六颗具有可用HST星族形成历史的超微弱矮星系均显示熄灭时间早于落入，支持再电离为主导熄灭机制。
• 推断的超微弱矮星系熄灭 timescale 与临界质量尺度M⋆ ≲ 10⁵ M☉一致，低于此质量时再电离能有效抑制恒星形成。
• 对M⋆ < 10⁸ M☉的卫星星系进行落入时间与熄灭时间的联合分析表明，无需引入内部反馈或自熄灭机制。
• 在落入时间估算中引入切向速度，可将落入时间推断的灾难性失败率从约30%降低至约20%，提升了轨道约束的可靠性。