[论文解读] Formation of Galactic Disks I: Why Did the Milky Way's Disk Form Unusually Early?

Vadim A. Semenov, Charlie Conroy+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 11

一句话总结

论文分析 TNG50 模拟中的 MW 类星系以确定盘形成的时间和方式，发现盘形成的时机和金属丰度差异很大，约有 10% 像银河系一样早期形成，使得 MW 独特但并非超出更广的 MW 质量盘体群体。

ABSTRACT

Recent results from spectroscopic and astrometric surveys of nearby stars suggest that the stellar disk of our Milky Way (MW) was formed quite early, within the first few billion years of its evolution. Chemokinematic signatures of disk formation in cosmological zoom-in simulations appear to be in tension with these data, implying that MW-like disk formation is delayed in simulations. We investigate the formation of galactic disks using a representative sample of MW-like galaxies from the cosmological-volume simulation TNG50. We find that on average MW-mass disks indeed form later than the local data suggest. However, their formation time and metallicity exhibit a substantial scatter, such that $\sim$10% of MW-mass galaxies form disks early, similar to the MW. Thus, although the MW is unusual, it is consistent with the overall population of MW-mass disk galaxies. The direct MW analogs assemble most of their mass early, $\gtrsim 10$ Gyr ago, and are not affected by destructive mergers after that. In addition, these galaxies form their disks during the early enrichment stage when the interstellar medium metallicity increases rapidly, with only $\sim$25% of early-forming disks being as metal-poor as the MW was at the onset of disk formation, [Fe/H] $\approx -1.0$. In contrast, most MW-mass galaxies either form disks from already enriched material or experience late destructive mergers that reset the signatures of galactic disk formation to later times and higher metallicities. Finally, we also show that earlier disk formation leads to more dominant rotationally supported stellar disks at redshift zero.

研究动机与目标

• 评估银河系早期盘形成在 MW 质量星系群体中是否具有代表性。
• 表征 TNG50 中 MW 类星系盘形成的时序（spin-up）与金属丰度（[Fe/H]）。
• 研究质量组装历史与并Transaction merger 在设定盘形成时序中的作用。
• 将早期盘形成与当前盘支配及运动学结构相关联。

提出的方法

• 使用来自 TNG50 的 MW 类星系样本（61 个中心星系），对圈质量、恒星形成与盘状性设定筛选标准。
• 通过跟 bk22 的观测 [Fe/H] 的丰度匹配来标定恒星金属丰度以保留金属丰度排序。
• 分析在 5–11 kpc 内在原位星以及 |z|<3 kpc 的化学运动信号，与 MW 观测相对比。
• 通过金属丰度下的中位恒星自转速度达到其太阳金属丰度值的一半来定义盘的 spin-up。
• 计算轨道圆性 j_z/j_c 以量化盘性。
• 探究盘形成时序、质量组装历史与并 merger 活动之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 TNG50 中 MW 类星系的盘形成时间和金属丰度的分布是什么？
• RQ2 银河系在 MW 质量星系群体中早期盘形成是典型还是例外？
• RQ3 质量组装历史与并 merger 如何影响盘自旋上升的时序与金属丰度？
• RQ4 早期盘形成如何影响当前的盘支配与运动学性质？
• RQ5 在盘形成过程中年龄—金属关系的观测散点如何解释？

主要发现

• 平均而言，MW 质量盘在 TNG50 中形成的时间比本地数据所示晚，但存在显著散点，约有 10% 的盘像 MW 那样早期形成。
• 早期自旋上升的盘形成于≥10 Gyr 以前并且迅速（约 1–2 Gyr），而晚期自旋上升的盘形成较晚且年龄范围更广。
• MW 类盘的自旋上升金属丰度范围约为 ∼0.6 dex，MW 位于金属丰度尾部的低端（约在中位数以下 ∼2σ）。
• 早期自旋上升的宿主在其哈罗中最初阶段即组装出大部分质量，并显示更高的现今盘支配度，而晚期自旋上升的宿主则表现出延展的或并 merger 驱动的质量增长以及更显著的盘齿。
• 在盘自旋上升期间，年龄—金属关系由早期快速富集与晚期较慢富集共同塑形，解释了样本中自旋上升年龄和金属丰度的变异。