[论文解读] LYRA II: Cosmological dwarf galaxy formation with inhomogeneous Population III enrichment

Thales A. Gutcke, Rüdiger Pakmor+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 89被引用 36

一句话总结

本研究利用AREPO中的LYRA模型，对一个2×10⁹ M⊙的矮星系进行了高分辨率宇宙学模拟，解析了单个超新星事件及不均匀的第三星族（PopIII）元素富集过程。结果表明，PopIII恒星宿主晕质量对星系的恒星形成历史和金属丰度分布具有决定性影响：较高质量的PopIII宿主晕可实现更早、更密集的恒星形成，而持续的气体吸积则可触发晚期恒星形成再点燃；尽管经历了分层并合，暗物质剖面仍保持尖锐的中心峰。

ABSTRACT

We present the simulation of a $2 imes10^9 M_\odot$ halo mass cosmological dwarf galaxy run to $z=0$ at 4 solar mass gas resolution with resolved supernova feedback. We compare three simple subgrid implementations for the inhomogeneous chemical enrichment from Population III stars and compare them to constraints from Local Group dwarf galaxies. The employed model, LYRA, is a novel high resolution galaxy formation model built for the moving mesh code AREPO, which is marked by a resolved multi-phase interstellar medium, single stars and individual supernova events. The resulting reionization relic is characterized by a short ($<1.5$ Gyr) star formation history that is repeatedly brought to a standstill by violent bursts of feedback. Star formation is reignited for a short duration due to a merger at $z\approx4$ and then again at $z\approx0.2-0$ after sustained gas accretion. Our model $z=0$ galaxy matches the stellar mass, size, stellar kinematics and metallicity relations of Local Group dwarf galaxies well. The dark matter profile does not exhibit a core in any version of the model. We show that the host halo masses of Population III stars affect the assembly history of dwarf galaxies. This manifests itself through the initial gaseous collapse in the progenitor halos, affecting the central density of the stellar component and through the accretion of luminous substructure.

研究动机与目标

• 研究第三星族恒星引起的不均匀化学富集如何影响宇宙学矮星系的形成与演化。
• 检验第一代恒星（PopIII）不同宿主晕质量是否影响零红移矮星系的恒星形成历史、金属丰度分布及结构特性。
• 评估PopIII富集对暗物质剖面形态的影响，特别是是否导致核心结构的形成。
• 将模拟结果与本地星系群矮星系的观测约束进行比较，包括恒星质量、尺度、运动学及金属丰度关系。

提出的方法

• 使用AREPO移动网格代码中的高分辨率星系形成模型LYRA，对一个2×10⁹ M⊙的宇宙学矮星系进行模拟，气体空间分辨率达4 M⊙。
• 解析了多相星际介质、单个超新星事件以及年轻恒星的辐射反馈。
• 采用三种亚网格模型实现不均匀的PopIII富集：均匀富集、在MPopIII = 10⁶ M⊙时富集，以及在MPopIII = 10⁷ M⊙时富集；另设一模型加入3 km/s的速度冲量以补偿未解析的恒星运动。
• 通过基于晕质量阈值的实时晕识别与金属丰度下限分配，模拟PopIII富集的启动过程。
• 追踪明亮子结构的吸积与星族外星体比例，以评估分层并合的影响。
• 将模拟星系属性（恒星质量、尺度、运动学、金属丰度、暗物质剖面）与本地星系群及Solo矮星系巡天的观测数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 第一代第三星族恒星的宿主晕质量在多大程度上影响宇宙学矮星系的恒星形成历史？
• RQ2 不均匀的PopIII富集在多大程度上塑造了矮星系中的金属丰度分布函数？
• RQ3 在极低速率下持续的气体吸积是否能重新点燃低质量矮星系的恒星形成？其发生需要何种条件？
• RQ4 通过小晕并合实现的矮星系分层并合是否会在星族外星体结构与外星体比例上产生可观测差异？
• RQ5 模拟的暗物质剖面是否形成核心？其与本地星系群矮星系观测结果相比如何？

主要发现

• 恒星形成历史持续时间短（<1.5 Gyr），并因再电离与超新星反馈而早期被抑制；在z ≈4和z ≈0.2–0.3时因并合与持续气体吸积出现两次短暂的再点燃事件。
• 总恒星质量在各模型中均稳定（~10⁸ M⊙），但恒星形成历史存在显著差异：MPopIII较低（10⁶ M⊙）的模型中恒星形成更早启动，而MPopIII较高（10⁷ M⊙）的模型则延迟初始恒星形成。
• 在MPopIII = 10⁶ M⊙模型中，由于小晕内短时孤立爆发，金属丰度分布呈双峰态；而均匀富集模型则产生单峰分布。
• 在数十亿年尺度上持续的低速率气体吸积（10⁻⁶–10⁻⁵ M⊙ yr⁻¹）可重新点燃恒星形成，但仅当中心势阱足够深时才可能实现，这由中心恒星高密度区（极可能为核球状星团）所支持。
• 由于来自小而星形成活跃的前体晕的分层并合，星族外星体比例超过95%；且吸积的明亮子结构数量对PopIII宿主晕质量敏感。
• 在任何模型中均未形成具有统计显著性的核心结构，尽管恒星与晕质量比高且恒星形成密度阈值高，表明此系统中PopIII富集与反馈并未驱动核心结构的形成。