Wie Gaszuflüsse die Galaxieentwicklung formen

Galaxien nehmen frisches Gas aus ihrer Umgebung auf, um über lange Zeiträume hinweg Sterne zu bilden. Diese Idee wird durch Theorien und Simulationen unterstützt, aber die tatsächlichen Beobachtungen liefern meistens indirekte Beweise. Dieses frische Gas führt zu merklichen Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung neu geborener Sterne und beeinflusst, wie die Metalle in Sternen verteilt sind, was sich von dem unterscheidet, was in einem Modell zu sehen wäre, in dem kein Gas mit der Aussenwelt ausgetauscht wird.

Ziel dieser Arbeit ist es, zu messen, wie viel frisches Gas Galaxien während ihrer Existenz ansammeln. Wir wollen das Alter und den Metallgehalt der Sterne in diesen Galaxien analysieren, um ein klareres Bild von ihrer Sternentstehungseffizienz im Laufe der Zeit zu bekommen.

Wir haben Daten zur Sternentstehung und zur Metallgeschichte von 8.523 Galaxien aus einer Umfrage namens MaNGA genommen. Mit diesen Informationen haben wir vorhergesagt, wie der Metallgehalt in einem geschlossenen System im Laufe der Zeit variieren sollte und berechnet, wie viel Gas eingesogen worden sein muss, um unsere Vorhersagen mit dem tatsächlich beobachteten Metallgehalt in Sternen in Einklang zu bringen.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass das von Galaxien gesammelte Gas je nach ihrer Masse variiert. Grössere Galaxien neigen dazu, mehr Gas früher zu sammeln als kleinere Galaxien, die länger brauchen, um ihr Gas anzuhäufen. Zudem haben Galaxien mit höheren aktuellen Sternentstehungsraten tendenziell eine konsistentere Geschichte der Gasansammlung.

Wir beschreiben die individuellen Gasansammlungs-Geschichten mithilfe von zwei Masszahlen: der Gesamtmenge des gesammelten Gases und einem bestimmten Punkt in der Geschichte, der angibt, wann der Grossteil des Gases erworben wurde. Wir fanden eine starke Korrelation zwischen der Gesamtmenge des gesammelten Gases und der gesamten Sternentstehungsaktivität. Galaxien, die aktiv Sterne bilden, sammeln typischerweise mehr Gas als erwartet.

#Beobachtungsbeweise für Gasakkretion

Im aktuellen Verständnis der Galaxienbildung wird erwartet, dass Galaxien frisches Gas aufnehmen, um zu wachsen. Direkte Beobachtungen dieses Prozesses waren jedoch herausfordernd, da es nicht einfach ist, das eingehende Gas zu erkennen. Die Auswirkungen der Gasansammlung, wie erhöhte Sternentstehungsraten und verminderter Metallgehalt, treten tendenziell zu unterschiedlichen Zeiten auf, was gleichzeitige Beobachtungen kompliziert.

Einige Studien haben beträchtliche Mengen frischen Gases festgestellt, die mit einer Gruppe von Galaxien verbunden sind, die derzeit Gas ansaugen. Es wurden auch Hinweise auf kälteres Gas rund um sternenbildende Galaxien gefunden, obwohl die kleinen Mengen darauf hindeuten, dass sie möglicherweise nicht genug haben, um die fortlaufende Sternentstehung zu unterstützen.

Für unsere eigene Galaxie, die Milchstrasse, deuten Schätzungen auf eine Gaszufuhr von etwa 0,1 bis 0,4 Sonnenmassen pro Jahr hin, was nicht ausreicht, um die derzeitige Sternentstehungsrate zu erklären.

Die meisten Beweise für Gasakkretion in Galaxien stammen aus indirekten Mitteln. Zum Beispiel deutet die Schmidt-Kennicutt-Beziehung darauf hin, dass Galaxien ihre aktuellen Sternentstehungsraten nicht lange aufrechterhalten können, ohne eine kontinuierliche Gasversorgung. Darüber hinaus nimmt der Anteil an Gas im Verhältnis zu den Sternen im Vergleich zur Dichte der Sterne im Laufe der Zeit viel langsamer ab.

Ein Blick auf den chemischen Inhalt liefert weitere indirekte Beweise. Das frische Gas, das aus dem kosmischen Netz gewonnen wird, wird als überwiegend metallarm angesehen, was hilft, den niedrigen Metallgehalt in einigen Bereichen und die merklichen Metallgradienten zu erklären, die in bestimmten hochrotverschobenen Galaxien beobachtet werden.

Modelle der chemischen Evolution in der Milchstrasse legen nahe, dass der enge Metallgehaltsbereich, der in langlebigen Sternen gefunden wird, nur mit stetigen Zufuhr von niedrigmetallischem Gas möglich ist. Diese Modelle sagen eine abnehmende Rate der Gaszuflüsse im Laufe der Zeit voraus, mit einer aktuellen Schätzung von etwa 0,4 Sonnenmassen pro Jahr. Obwohl wertvoll zum Testen kosmologischer Modelle und numerischer Simulationen, ist es wichtig zu beachten, dass die Milchstrasse nur ein Beispiel ist und die Variationen in den Gasansammlungsraten wahrscheinlich je nach Galaxienmasse, -form und -umgebung variieren.

In dieser Studie verwendeten wir eine ähnliche Methode, um die Gaszufuhr über die Zeit für unsere Stichprobe von 8.523 Galaxien aus der MaNGA-Umfrage zu schätzen. Wir analysierten die Sternentstehungsgeschichte zusammen mit der Beziehung zwischen Alter und Metallgehalt, um die Masse des niedrigmetallischen Gases zu finden, die für die beobachtete Metallizität benötigt wird.

#Datensammlung und Stichprobenauswahl

Die MaNGA-Umfrage umfasst umfassende Beobachtungen von Galaxien. Wir begannen mit über 10.000 Galaxien und verfeinerten unsere Stichprobe, indem wir diejenigen mit schlechter Datenqualität ausschlossen. Der Auswahlprozess umfasste ein automatisches Markieren von Galaxien mit fragwürdigen Messungen, gefolgt von menschlichen Überprüfungen zu verschiedenen Eigenschaften wie spektroskopischer Anpassung, Emissionslinien und chemischer Geschichte.

Nach dem Filtern behielten wir 9.087 Galaxien für unsere Analyse. Wir berechneten die Metallizität bei einem effektiven Radius, da dies für stark geneigte Galaxien herausfordernd war. Die verbleibende Stichprobe umfasste Galaxien unterschiedlicher Massen und Formen und stellte im Allgemeinen eine breite Palette von Galaxientypen dar.

#Methodologie

Um die Sternentstehungs- und chemische Geschichte der Galaxien zu analysieren, verwendeten wir ein Tool namens pyPipe3D, das bei der Anpassung von Spektren hilft, um die Beiträge verschiedener stellaren Populationen zu bestimmen. Wir massen das Licht von stellaren Populationen und leiteten ihre Geschichte und ihren Metallgehalt aus den Mustern im Spektrum ab.

Der Anpassungsansatz war nicht-parametrisch, was bedeutet, dass wir keine spezifische Form für die Sternentstehungsgeschichte angenommen haben. Die Methode erlaubte mehr Flexibilität und bessere Anpassung an die gesammelten Daten.

Wir konzentrierten uns auf Emissionslinien im Spektrum, die wir analysierten, um Absorption von den Sternen zu korrigieren. Durch das Messen dieser Emissionslinien und das Berücksichtigen von Rotverschiebung und Breiterungseffekten verbesserten wir die Anpassungsqualität.

Die resultierenden Lichtanteile wurden in Massenanteile umgewandelt, wobei erwartete Masse-zu-Licht-Verhältnisse verwendet wurden. Dies half uns, die Geschichte der Sternentstehung und chemischen Evolution zu verstehen, und führte zu Erkenntnissen darüber, wie metallreiche stellare Atmosphären die Metallizität des Gases widerspiegeln, aus dem sie entstanden.

#Chemische Evolutionsmodell

Unsere Studie verwendete ein chemisches Evolutionsmodell, um zu sehen, wie sich der Metallgehalt im Laufe der Zeit verändert. Wir integrierten die Geschichte der Sternentstehung, die anfängliche Gasmasse und spezifische Modelle, wie sich verschiedene Elemente basierend auf stellaren Erträgen entwickeln.

Das Modell hilft uns zu schätzen, wie viel niedrigmetallisches Gas integriert worden sein muss, um unserem beobachteten metallischen Gehalt der Sterne zu entsprechen. Wir haben bestimmte Annahmen getroffen, wie die anfängliche Gasmasse, die der anfänglichen stellarischen Masse ähnlich ist, und alle Galaxien in einem Bin als einen durchschnittlichen Vertreter behandelt.

Unter Verwendung des aktuellen Verständnisses von Prozessen der Sternentstehung und Metalle haben wir Gasakkretionsraten über verschiedene Zeitrahmen abgeleitet. Das Modell hilft uns, Bereiche der Verdünnung und Anreicherung vorherzusagen und beobachtete Metallizitäten mit Gaszuflüssen zu verbinden.

#Ergebnisse zur Gasakkretion und Sternentstehungseffizienz

Unsere Analyse zeigte mehrere wichtige Trends zur Gasansammlung in Galaxien und ihrer Sternentstehungseffizienz. Massereichere Galaxien neigten dazu, mehr Gas anzusammeln, insbesondere früher in ihrer Evolution, und es gab einen deutlichen Unterschied in den Gasansammlungsraten je nach aktuellem Sternentstehungsstatus.

Wir konnten Galaxien basierend auf ihren Evolutionskurven und aktuellen Zuständen kategorisieren und beobachteten, dass sternenbildende Galaxien höhere Gasansammlungsraten aufrechterhielten. Die Beziehung zwischen Gasakkretion und stellarer Masse war stark, was bedeutet, dass massereichere Galaxien ein konsistentes Muster in ihren Gaszuflüssen zeigen.

Für Galaxien, die aktiv Sterne bilden, blieb ihre historische Gasansammlung im Laufe der Zeit signifikant, was darauf hindeutet, dass der fortlaufende Zugang zu frischem Gas entscheidend für die anhaltende Sternentstehung ist. Die Effizienz der Sternentstehung variierte ebenfalls, wobei frühe Galaxien in der Vergangenheit höhere Effizienzen zeigten als in der Gegenwart.

#Analyse einzelner Galaxie-Historien

Wir verschoben den Fokus von den durchschnittlichen Trends hin zu den individuellen Geschichten der Galaxien in unserer Stichprobe. Durch die Analyse der Gesamtgasmasse und des Zeitpunkts der Gaszufuhr beobachteten wir weitere Details. Negative Werte in den Gasakkretionsraten wurden auf null gesetzt, um genaue Berechnungen sicherzustellen.

Diese detaillierte Analyse bestätigte frühere Trends, wie die Korrelation zwischen der Gesamtmasse der gebildeten Sterne und der Menge des angesammelten Gases. Sternenbildende Galaxien zeigten durchgehend bessere Gasansammlungsgeschichten als zurückgezogene Galaxien.

Eine signifikante Beobachtung waren die laufenden Gasakkretionsmuster in sternenbildenden Galaxien, was darauf hinweist, dass ihre aktuelle Sternentstehung stark auf die Aufrechterhaltung einer frischen Gasversorgung angewiesen ist.

#Sternentstehungseffizienz

Die Sternentstehungseffizienz (SFE) wurde aus unseren Gasansammlungsgeschichten und den Daten zur Sternentstehung berechnet. Die SFE nahm im Laufe der Zeit in vielen Galaxien ab, insbesondere in solchen, die in der Vergangenheit effizient Sterne gebildet haben, aber jetzt eine Verlangsamung der Aktivität aufweisen.

Wir fanden heraus, dass grössere Galaxien stärkere Rückgänge in der Effizienz erlebten als kleinere, was einen Wechsel in den Effizienztrends über kosmische Zeit zeigt. Kompakte Galaxien zeigten höhere Sternentstehungseffizienzen, was darauf hindeutet, dass die Grösse eine Rolle dabei spielt, wie effektiv eine Galaxie Sterne bilden kann.

#Vergleich mit Beobachtungsdaten

Durch den Vergleich unserer vorhergesagten verbleibenden Gasmasse mit beobachteten Daten aus anderen Umfragen fanden wir Diskrepanzen, die hauptsächlich auf unzureichende Berücksichtigung von Ausflüssen zurückzuführen waren. Einige massereiche Galaxien zeigten einen erheblichen Verlust an Gas, der wahrscheinlich mit ihrer Geschichte der Sternentstehung und den damit verbundenen Rückkopplungsprozessen verbunden ist.

Durch diesen Vergleich konnten wir unsere Modelle validieren und fanden heraus, dass unsere vorhergesagten Werte im Allgemeinen mit der etablierten Literatur übereinstimmten, aber Anpassungen erforderten, um die Präsenz von Ausflüssen besser widerzuspiegeln.

#Fazit

Wir haben den signifikanten Einfluss von Gaszuflüssen auf die Evolution von Galaxien und die Aufrechterhaltung ihrer Sternentstehung über lange Zeiträume hinweg demonstriert. Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass der fortlaufende Zugang zu reinem Gas entscheidend für Galaxien ist, um ihre sternbildenden Aktivitäten aufrechtzuerhalten.

Trotz potenzieller Genauigkeitsprobleme, die mit den anfänglichen Gasbedingungen und den Spezifika verschiedener Gasphasen verbunden sind, hebt unsere Studie die Bedeutung der Gasakkretion zum Verständnis der Galaxienevolution und der Beziehungen zwischen Sternentstehung und chemischen Prozessen hervor.

Durch das Messen der Eigenschaften von stellaren Populationen in Galaxien können wir Informationen über ihre Gasströme zurückgewinnen und unser Verständnis der kosmischen Geschichte und der Galaxienentwicklung bereichern. Zukünftige Forschungen werden darauf abzielen, diese Ergebnisse zu verfeinern, Unsicherheiten anzugehen und unser Verständnis darüber zu verbessern, wie Galaxien im Laufe der Zeit mit ihrer Umgebung interagieren.

Durch diese Arbeit bieten wir ein klareres Bild der Prozesse, die Galaxien formen, und zeigen das komplexe Netz von Wechselwirkungen, das ihr Wachstum und ihre Evolution antreibt.