[论文解读] Stochastic processes, galactic star formation, and chemical evolution. Effects of accretion, stripping, and collisions in multiphase multi-zone models

G. Valle, S. N. Shore+1 more|ArXiv.org|Feb 10, 2005

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 32被引用 7

一句话总结

本文提出了星系化学演化的随机性、多相、多区模型，模拟了封闭与开放系统中的吸积、剥离和碰撞事件。通过在不采用瞬时回收的前提下追踪恒星形成率和金属度历史，表明由于随机气体流入和流出的复杂反馈，恒星形成历史无法从当前的元素丰度测量中唯一重建，尤其是对轻元素而言。

ABSTRACT

This paper reports simulations allowing for stochastic accretion and mass loss within closed and open systems modeled using a previously developed multi-population, multi-zone (halo, thick disk, thin disk) treatment. The star formation rate is computed as a function of time directly from the model equations and all chemical evolution is followed without instantaneous recycling. Several types of simulations are presented here: (1) a closed system with bursty mass loss from the halo to the thick disk, and from the thick to the thin disk, in separate events to the thin disk; (2) open systems with random environmental (extragalactic) accretion, e.g. by infall of high velocity clouds directly to the thin disk; (3) schematic open system single and multiple collision events and intracluster stripping. For the open models, the mass of the Galaxy has been explicitly tracked with time. We present the evolution of the star formation rate, metallicity histories, and concentrate on the light elements. We find a wide range of possible outcomes, including an explanation for variations in the Galactic D/H ratio, and highlight the problems for uniquely reconstructing star forming histories from contemporary abundance measurements.

研究动机与目标

• 研究随机过程（如吸积、剥离和碰撞）如何影响多相、多区模型中的星系化学演化。
• 评估仅凭当前元素丰度测量唯一重建恒星形成历史的局限性。
• 探讨吸积气体中金属度变化及环境物质下渗时间对金属度演化和恒星形成率的影响。
• 模拟碰撞引起的剥离与后续再吸积对化学和动力学演化的综合影响。
• 证明即使简化的模型也能为更复杂的流体动力学和核合成模拟提供星系演化方面的启示。

提出的方法

• 采用多族群、多区框架，包含三个相（稀疏气体、云团、恒星/残余物）和三个区：晕、厚盘和薄盘。
• 根据模型方程动态计算恒星形成率，而非预先假设时间历史。
• 在不采用瞬时回收的前提下，使用随时间变化的死亡率和返还率，追踪质量和金属度随时间的演化。
• 模拟具有不同金属度（原始、0.1 Z⊙、Z⊙）和持续时间的随机吸积事件，包括碰撞后的再吸积。
• 建模碰撞事件中的质量损失（最多初始质量的40%），以及随后的剥离和再吸积，考虑可变的时间和金属度。
• 分析不同环境条件下，SFR、金属度历史以及轻元素演化（特别是氘D/H比值）的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机吸积和质量损失事件如何影响星系系统中恒星形成率和金属度演化的时变行为？
• RQ2 在多大程度上可从当前的丰度测量唯一重建银河系的恒星形成历史？
• RQ3 吸积气体中金属度的变化及物质下渗时间如何影响薄盘中金属度演化和SFR？
• RQ4 碰撞引起的剥离随后再吸积对盘中金属度与年龄关系有何影响？
• RQ5 碰撞后系统是否可能表现出异常的颜色-星等图，如双红巨星分支或倒置的年龄-金属度关系？

主要发现

• 随机吸积和剥离事件导致非单调的金属度演化，可能产生比金属贫乏群体更年老的金属丰富群体，颠覆了标准预期。
• D/H比值显著依赖于吸积的时间和金属度，为银河系中观测到的差异提供可能解释。
• 即使碰撞期间质量损失高达40%，除非再吸积的气体极为金属贫乏，否则金属度不会降至原始值的60%以下，表明化学印记具有强韧性。
• 碰撞后若再吸积原始气体，可能引发‘反向爆发’行为，即在一段平静期后形成更年轻、金属度更低的恒星。
• 剥离与再吸积的综合效应可产生异常的颜色-星等图，包括双红巨星分支，尤其在再吸积迅速且金属度较高时更为显著。
• 模型表明，相同的最终丰度分布可能源自多个不同的恒星形成历史，从而削弱了仅凭当前数据唯一重建恒星形成历史的可靠性。