[论文解读] The formation of disk galaxies in a cosmological context: Populations, metallicities and metallicity gradients

Matthias Steinmetz, E. Müller|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 1993

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 5

一句话总结

本文提出了一项包含暗物质、气体动力学、恒星形成、超新星反馈和金属富集的星系盘形成宇宙学模拟。它再现了关键的观测特征：富含金属的星系核球、贫金属的星 halo，以及具有−0.05 dex/kpc金属度梯度的星盘，同时将第二星族恒星的金属度与原初密度涨落联系起来，并展示了星 halo 和核球恒星分别源自大尺度和小尺度密度极大值的显著形成历史。

ABSTRACT

We present first results concerning the metallicities and stellar populations of galaxies formed in a cosmologically motivated simulation. The calculations include dark matter, gas dynamics, radiation processes, star formation, supernovae feedback, and metal enrichment. A rotating, overdense sphere with a mass of $8\,10^{11}\,$\Msol\ serves as initial model. Converging and Jeans unstable regions are allowed to form stars, which get their metallicity from the gas they are formed from. Via supernovae, metal enriched gas is given back to the interstellar medium. The forming galaxy shows the main properties of spiral galaxies: A metal rich bulge, a metal poor stellar halo and a disk of nearly solar composition. Halo and bulge consist predominantly of old stars ($>10.5\,$Gyrs). The disk has a metallicity gradient of $\dd(\log Z) / \dd r = - 0.05\,$kpc$^{-1}$, whereas the halo shows none. The models also exhibit a correlation between the metallicity of Pop~II stars and the power of small scale fluctuations. The stars of the bulge form from gas which is initially located in the largest maxima of the primordial density fluctuations, whereas the halo stars originate from gas accumulated in less pronounced maxima.

研究动机与目标

• 在包含完整流体动力学和金属富集的宇宙学框架下，模拟星系盘的形成。
• 研究星系组分（如核球、星 halo 和星盘）中恒星族及其金属度的起源。
• 探索原初密度涨落与第二星族恒星金属度之间的关联。
• 在自洽的宇宙学设定中重现观测到的金属度梯度和组分特异性金属度。

提出的方法

• 采用具有旋转性和密度超高的球形区域（质量为8×10¹¹ M☉）作为初始条件，模拟具有宇宙学动机。
• 模型包含暗物质、气体动力学、辐射冷却、在汇聚区域和Jeans不稳定性区域的恒星形成，以及超新星反馈。
• 恒星从金属富集的气体中形成，其金属度继承自形成时刻的星际介质。
• 金属丰富的气体通过超新星被循环回星际介质，实现自洽的金属富集。
• 模拟追踪了星系组分中金属度和恒星族的空间与时间演化。
• 恒星的形成历史与初始条件中原初密度涨落的振幅相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在宇宙学背景下，星系盘中的金属度梯度如何形成？
• RQ2 星系核球、星 halo 和星盘中恒星族的金属度分布由什么决定？
• RQ3 第二星族恒星的金属度与小尺度原初密度涨落的功率之间有何关系？
• RQ4 从初始密度结构的角度看，古老星 halo 恒星与较年轻星盘恒星之间观测到的分离现象源于何处？
• RQ5 自洽的宇宙学模拟能否重现螺旋星系观测到的金属度结构？

主要发现

• 模拟星系表现出富含金属的核球、贫金属的恒星 halo，以及具有接近太阳金属度和半径方向金属度梯度为−0.05 dex/kpc的星盘。
• 星 halo 无显著金属度梯度，而星盘则显示出随半径增加而明确下降的金属度。
• 核球恒星源自原初密度涨落中最大峰值处的气体，而星 halo 恒星则源自次级明显的峰值区域。
• 第二星族恒星的金属度与初始条件中小尺度原初密度涨落的振幅呈正相关。
• 恒星族主要为古老恒星，星 halo 和核球恒星年龄均超过10.5 Gyr，与观测一致。
• 模拟成功再现了螺旋星系的主要结构和化学特性，包括组分特异性金属度和形成历史。