[论文解读] Downsizing revised: Star formation timescales for elliptical galaxies with an environment-dependent IMF and number of SNIa

Zhiqiang Yan, Tereza Jeřabková+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 167被引用 45

一句话总结

该论文通过IGIMF理论应用环境依赖的初始质量函数（IMF），解决了大质量椭圆星系中的 downsizing 矛盾问题，表明当更高质量星系中单位恒星质量的Ia型超新星（SNIa）数量增加时，恒星形成 timescales（SFTs）与星族合成（SPS）模型趋于一致。关键结果是，星系质量约为~10⁹.⁵M⊙时，SFTs在约2 Gyr处达到峰值，更高质量星系中因致密星团中SNIa产量增强，导致形成速度更快。

ABSTRACT

Previous studies of the stellar mean metallicity and [Mg/Fe] values of massive elliptical (E)~galaxies suggest that their stars were formed in a very short timescale which cannot be reconciled with estimates from stellar population synthesis (SPS) studies and with hierarchical-assembly. Applying the previously developed chemical evolution code, GalIMF, which allows an environment-dependent stellar initial mass function (IMF) to be applied in the integrated galaxy initial mass function (IGIMF) theory instead of an invariant canonical IMF, the star formation timescales (SFT) of E galaxies are re-evaluated. The code's uniqueness lies in it allowing the galaxy-wide IMF and associated chemical enrichment to evolve as the physical conditions in the galaxy change. The calculated SFTs become consistent with the independent SPS results if the number of type Ia supernovae (SNIa) per unit stellar mass increases for more massive E~galaxies. This is a natural outcome of galaxies with higher star-formation rates producing more massive star clusters, spawning a larger number of SNIa progenitors per star. The calculations show E~galaxies with a stellar mass $\approx 10^{9.5} M_\odot$ to have had the longest mean SFTs of $\approx2\,$Gyr. The bulk of more massive E~galaxies were formed faster (SFT$\,\approx 1\,$Gyr) leading to domination by M~dwarf stars and larger dynamical mass-to-light ratios as observed, while lower-mass galaxies tend to lose their gas supply more easily due to their shallower potential and therefore also have similarly-short mean SFTs. This work achieves, for the first time, consistency of the SFTs for early-type galaxies between chemical-enrichment and SPS modelling and leads to an improved understanding of how the star formation environment may affect the total number of SNIa per unit stellar mass formed.

研究动机与目标

• 为解决长期以来在大质量椭圆星系中出现的 downsizing 问题，即化学演化模型预测的恒星形成 timescales（SFTs）短于星族合成（SPS）研究推断的值。
• 探究环境依赖的综合星系尺度初始质量函数（IGIMF）是否能调和化学丰度增强推导出的SFT估计值与SPS模型估计值之间的差异。
• 确定单位恒星质量中Ia型超新星（SNIa）的数量如何随星系质量变化，以及这种变化是否可解释观测到的SFT差异。
• 检验IGIMF理论是否能自然解释观测到的早期型星系中的恒星金属丰度、[Mg/Fe]比值和动力学质量光度比，而无需精细调节。

提出的方法

• 本研究采用GalIMF化学演化代码，通过IGIMF理论实现环境依赖的初始质量函数，使星系尺度的IMF能随恒星形成率（SFR）和金属丰度等物理条件变化而演化。
• IMF被建模为SFR和金属丰度的函数，高SFR下呈现顶重IMF，金属丰度低的环境中则为底轻IMF，与观测约束一致。
• 通过修改的SNIa生成参数计算单位恒星质量形成的SNIa总数，该参数随IMF形状变化，如公式15、20和21所示。
• 模型使用恒星平均金属丰度和[Mg/Fe]作为约束计算SFTs，并与SPS推导的SFTs进行比较。
• SNIa延迟时间分布（DTD）和恒星产出量经校准，以匹配观测到的元素丰度模式。
• 模型在一系列星系质量范围内进行测试，特别关注SFTs达到峰值的过渡质量点~10⁹.⁵M⊙。

实验结果

研究问题

• RQ1 IGIMF理论所描述的环境依赖IMF能否调和大质量椭圆星系中化学演化模型推导出的SFT与SPS研究推导出的SFT之间的差异？
• RQ2 单位恒星质量中Ia型超新星（SNIa）的数量如何随星系质量变化，且该变化是否与理论预期一致？
• RQ3 星团质量与密度在高SFR环境中如何增强SNIa产量，以及这对推断SFT的影响如何？
• RQ4 为何大质量椭圆星系表现出更高的动力学质量光度比和底部加重的恒星质量函数，这一现象能否通过IMF演化解释？
• RQ5 IGIMF理论是否能自然解释大质量早型星系中观测到的[Mg/Fe]增强和高金属丰度，而无需精细调节？

主要发现

• 大质量椭圆星系的恒星形成 timescale（SFT）在星系质量约为~10⁹.⁵M⊙时达到最大值约2 Gyr，从而解决了 downsizing 矛盾。
• 对于更高质量的椭圆星系（M⋆ > 10⁹.⁵M⊙），SFT减少至约1 Gyr，与SPS估计值一致，原因在于高SFR环境中形成的致密大质量星团增强了SNIa产量。
• 单位恒星质量中SNIa的数量随星系质量增加而增加，为使最高质量星系的SFT与SPS推导值匹配，SNIa生成参数需提高2.5倍。
• 环境依赖的IMF自然解释了大质量椭圆星系中观测到的[Mg/Fe]增强和高金属丰度，因为在高SFR下顶重IMF会早期产生更多α元素。
• 低质量椭圆星系的SFT同样较短（约1 Gyr），原因在于其浅势阱导致气体快速流失和抑制，与模型预测一致。
• 该模型通过底部加重IMF和SNIa产量增强的共同作用，成功解释了大质量椭圆星系中观测到的高动力学质量光度比。