[论文解读] The interplay between feedback, accretion, transport and winds in setting gas-phase metal distribution in galaxies

Piyush Sharda, Omri Ginzburg+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 334被引用 5

一句话总结

本研究通过建模反馈、吸积、气体输运与星系风之间的相互作用，揭示了这些过程如何塑造星系的径向气体金属丰度梯度。研究发现，由反馈、吸积与输运驱动的湍流对于重现观测到的质量-金属丰度梯度关系（MZGR）至关重要，其中富含金属的星系风在低质量星系中通过优先喷射金属而起到关键作用，从而使金属丰度梯度变平。

ABSTRACT

The recent decade has seen an exponential growth in spatially-resolved metallicity measurements in the interstellar medium (ISM) of galaxies. To first order, these measurements are characterised by the slope of the radial metallicity profile, known as the metallicity gradient. In this work, we model the relative role of star formation feedback, gas transport, cosmic gas accretion, and galactic winds in driving radial metallicity profiles and setting the mass-metallicity gradient relation (MZGR). We include a comprehensive treatment of these processes by including them as sources that supply mass, metals, and energy to marginally unstable galactic discs in pressure and energy balance. We show that both feedback and accretion that can drive turbulence and enhance metal-mixing via diffusion are crucial to reproduce the observed MZGR in local galaxies. Metal transport also contributes to setting metallicity profiles, but it is sensitive to the strength of radial gas flows in galaxies. While the mass loading of galactic winds is important to reproduce the mass metallicity relation (MZR), we find that metal mass loading is more important to reproducing the MZGR. Specifically, our model predicts preferential metal enrichment of galactic winds in low-mass galaxies. This conclusion is robust against our adopted scaling of the wind mass-loading factor, uncertainties in measured wind metallicities, and systematics due to metallicity calibrations. Overall, we find that at $z \sim 0$, galactic winds and metal transport are more important in setting metallicity gradients in low-mass galaxies whereas star formation feedback and gas accretion dominate setting metallicity gradients in massive galaxies.

研究动机与目标

• 理解反馈、吸积、气体输运与星系风在决定星系径向金属丰度梯度中的相对作用。
• 基于星系盘在压强与能量平衡下的自洽模型，解释本地星系中观测到的质量-金属丰度梯度关系（MZGR）。
• 评估在重现MZGR时，星系风中金属质量载荷相对于质量载荷的重要性。
• 研究由反馈、吸积与输运驱动的湍流如何影响金属混合与梯度形成。
• 评估结果对风金属丰度、质量载荷标度与金属丰度校准系统性误差的敏感性。

提出的方法

• 模型将星系盘视为处于压强与能量平衡下的边缘不稳定系统，其质量、金属与能量由反馈、吸积、输运与星系风供给。
• 湍流由反馈、吸积与径向气体流动驱动，金属混合通过基于湍流速度弥散度推导的扩散系数建模。
• 风的质量载荷因子采用理论预估（Hayward & Hopkins, 2017；Pandya et al., 2021），同时独立调节金属载荷以检验其影响。
• 模型自洽计算了不同恒星质量下气体面密度、速度弥散度与金属丰度分布。
• 结果与IFU光谱观测的MZGR进行对比，并对风金属丰度、质量载荷标度与校准系统性误差进行敏感性测试。
• 模型采用解耦的星系风处理方式，以隔离其对金属丰度梯度的影响，同时保持与全局重子物质与能量收支的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 反馈、吸积与气体输运如何共同影响星系中径向金属丰度梯度的形成？
• RQ2 在塑造质量-金属丰度梯度关系（MZGR）方面，风的质量载荷与金属质量载荷的相对重要性如何？
• RQ3 为何低质量星系的金属丰度梯度更平？其背后的物理过程是什么？
• RQ4 在低质量星系中，星系风的优先金属富集是否对风金属丰度与质量载荷标度的不确定性具有鲁棒性？
• RQ5 在恒星质量序列中，反馈、吸积与输运对金属丰度梯度形成的相对贡献如何变化？

主要发现

• 由反馈、吸积与气体输运共同驱动的湍流是重现大质量星系中观测到的负金属丰度梯度所必需的。
• 仅由反馈或吸积驱动湍流的模型产生的梯度比观测值更平，表明为与数据一致，必须存在多个驱动机制。
• 通过径向气体流动的金属输运在低质量星系中对金属丰度梯度的形成起重要作用，但前提是存在强烈的径向内流。
• 模型预测在低质量星系中星系风具有优先金属富集，这一结果对风金属丰度、质量载荷标度与金属丰度校准的变化均具有鲁棒性。
• 金属质量载荷比质量载荷在重现MZGR中更为关键，尤其在低质量星系中，它能降低星际介质（ISM）的金属丰度并使梯度变平。
• 在大质量星系中，反馈与吸积主导梯度形成，而风与输运的影响较小，凸显了主导物理驱动机制随质量变化的转变。