[论文解读] Live Fast, Die $α$-Enhanced: The Mass-Metallicity-$α$ Relation of the Milky Way's Disrupted Dwarf Galaxies

Rohan P. Naidu, Charlie Conroy+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2022

Astronomy and Astrophysical Research被引用 7

一句话总结

本研究分析了银河系星系晕中九个被破坏的矮星系的化学丰度和恒星质量，发现其在相同质量下系统性地比现存矮星系更贫金属且$α$元素增强。关键发现是存在一条紧密的$Δ$[Fe/H]-[α/Fe]关系，将贫金属偏移与高红移形成联系起来，被破坏的矮星系在并合后迅速停止恒星形成，形成红移$z_{\text{trunc}} \approx 1-2$，为$M_\star \approx 10^6-10^9 M_\odot$范围内的早期星系演化提供了考古学约束。这支持了一条延伸至$z \approx 2-3$的无质量依赖$α$-增强趋势，与高红移观测结果一致。

ABSTRACT

The Milky Way's satellite galaxies ("surviving dwarfs") have been studied for decades as unique probes of chemical evolution in the low-mass regime. Here we extend such studies to the "disrupted dwarfs", whose debris constitutes the stellar halo. We present abundances ([Fe/H], [$α$/Fe]) and stellar masses for nine disrupted dwarfs with $M_{\star}\approx10^{6}-10^{9}M_{\odot}$ from the H3 Survey (Sagittarius, $Gaia$-Sausage-Enceladus, Helmi Streams, Sequoia, Wukong/LMS-1, Cetus, Thamnos, I'itoi, Orphan/Chenab). The surviving and disrupted dwarfs are chemically distinct: at fixed mass, the disrupted dwarfs are systematically metal-poor and $α$-enhanced. The disrupted dwarfs define a mass-metallicity relation (MZR) with a similar slope as the $z=0$ MZR followed by the surviving dwarfs, but offset to lower metallicities by $Δ$[Fe/H]$\approx0.3-0.4$ dex. Dwarfs with larger offsets from the $z=0$ MZR are more $α$-enhanced. In simulations as well as observations, galaxies with higher $Δ$[Fe/H] formed at higher redshifts -- exploiting this, we infer the disrupted dwarfs have typical star-formation truncation redshifts of $z_{ m{trunc}}{\sim}1-2$. We compare the chemically inferred $z_{ m{trunc}}$ with dynamically inferred accretion redshifts and find almost all dwarfs are quenched only after accretion. The differences between disrupted and surviving dwarfs are likely because the disrupted dwarfs assembled their mass rapidly, at higher redshifts, and within denser dark matter halos that formed closer to the Galaxy. Our results place novel archaeological constraints on low-mass galaxies inaccessible to direct high-$z$ studies: (i) the redshift evolution of the MZR along parallel tracks but offset to lower metallicities extends to $M_{\star}\approx10^{6}-10^{9}M_{\odot}$; (ii) galaxies at $z\approx2-3$ are $α$-enhanced with [$α$/Fe]$\approx0.4$.

研究动机与目标

• 理解银河系晕中现存矮星系与被破坏矮星系在化学与动力学上的差异。
• 检验被破坏矮星系（在高红移无法直接观测）是否可作为早期星系形成过程的考古探针。
• 利用被破坏矮星系的残骸，量化低质量星系（$M_\star \approx 10^6-10^9 M_\odot$）的质量-金属度-$\alpha$关系。
• 将化学丰度模式与恒星形成截断红移联系起来，并与通过动力学推导的并合时间进行比较。

提出的方法

• 利用H3巡天的高分辨率光谱，测量了九个被破坏矮星系的恒星金属度（[Fe/H]）和$\alpha$元素丰度（[α/Fe]）。
• 使用光度和运动学数据，计算了每个被破坏矮星系的恒星质量（$M_\star$）。
• 将偏移量$\Delta$[Fe/H]定义为观测到的[Fe/H]与现存矮星系在$z=0$时的质量-金属度关系（MZR）之间的差值。
• 通过模拟和观测到的$\alpha$-增强校准$\Delta$[Fe/H]，推导出恒星形成截断红移（$z_{\text{trunc}}$）。
• 将化学推导的$z_{\text{trunc}}$与通过轨道积分获得的动力学推导的并合红移（$z_{\text{acc}}$）进行比较，以评估熄灭时间。
• 使用线性关系$[\alpha/Fe] = 0.43^{+0.09}_{-0.09} \times \Delta[Fe/H] + 0.08^{+0.03}_{-0.03}$，将金属度偏移与$\alpha$-增强联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在固定恒星质量下，被破坏矮星系的化学丰度与现存矮星系相比如何？
• RQ2 在被破坏矮星系中，金属度偏移（$\Delta$[Fe/H]）与$\alpha$-增强（[α/Fe]）之间存在何种关系？
• RQ3 能否利用被破坏矮星系的化学丰度模式推断其恒星形成截断红移（$z_{\text{trunc}}$）？
• RQ4 化学推导的$z_{\text{trunc}}$值与动力学推导的$z_{\text{acc}}$值相比如何？
• RQ5 被破坏矮星系的丰度模式对低质量星系中质量-金属度关系的红移演化有何启示？

主要发现

• 在相同恒星质量下，被破坏矮星系系统性地比现存矮星系更贫金属且$\alpha$元素增强，其$\Delta$[Fe/H]偏移的中位数约为$\approx 0.3-0.4$ dex，偏离$z=0$时的质量-金属度关系。
• 被破坏矮星系遵循一条斜率与$z=0$时MZR相似但金属度更低的金属度-质量关系，表明其具有独特的化学演化路径。
• 观察到一条紧密的$\Delta$[Fe/H]-[α/Fe]关系：$[\alpha/Fe] = 0.43^{+0.09}_{-0.09} \times \Delta[Fe/H] + 0.08^{+0.03}_{-0.03}$，将贫金属偏移与高$\alpha$-增强联系起来。
• 通过化学推导的恒星形成截断红移（$z_{\text{trunc}}$）集中在$z \approx 1-2$，表明恒星形成迅速且发生于早期。
• 通过动力学推导的并合红移（$z_{\text{acc}}$）与$z_{\text{trunc}}$几乎完全一致，表明被破坏矮星系在并合后迅速被熄灭，仅在几个近星点内完成。
• 结果表明，$z \approx 2-3$时，$M_\star \approx 10^6-10^9 M_\odot$的星系具有$[\alpha/Fe] \approx 0.4$，与高红移观测结果一致，暗示在$M_\star \approx 10^6-10^{11} M_\odot$范围内存在一条无质量依赖的$\alpha$-增强趋势。