Los discos de galaxias tempranas desafían nuestra comprensión
Nuevos hallazgos sobre discos cinemáticamente fríos están reformulando las teorías de la formación de galaxias.
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Tabla de contenidos
- ¿Qué son los Discos Cineticamentes Fríos?
- La Simulación GigaEris
- Hallazgos Clave de la Simulación
- Implicaciones para la Vía Láctea
- Observaciones de Galaxias de Alto Corrimiento al Rojo
- Migración y Poblaciones Estelares
- El Papel del Gas y la Formación Estelar
- Desafíos Observacionales y Futuras Investigaciones
- Conclusión
- Fuente original
Recientes estudios con telescopios avanzados han encontrado galaxias con discos bien estructurados mucho antes en la historia del universo de lo que pensábamos posible. Esto plantea preguntas interesantes sobre cómo se formó y evolucionó nuestra galaxia, la Vía Láctea, a lo largo del tiempo. Específicamente, estos hallazgos sugieren que el disco delgado de nuestra galaxia podría haberse desarrollado principalmente después de ciertos eventos clave, lo que desafía ideas anteriores sobre el momento y la naturaleza de la formación de discos.
¿Qué son los Discos Cineticamentes Fríos?
En el contexto de las galaxias, los discos cinemáticamente fríos (DCF) son estructuras donde las estrellas se mueven de manera coordinada, con menos movimiento aleatorio. Esta organización hace que estos discos sean diferentes de áreas más antiguas y caóticas de una galaxia. A los investigadores les interesan particularmente estos DCF porque ayudan a explicar cómo se forman las estrellas y las estructuras galácticas en las primeras etapas del universo.
La Simulación GigaEris
Se creó una simulación por computadora llamada GigaEris para estudiar cómo se desarrollan los DCF en una galaxia similar a la Vía Láctea. Al ejecutar simulaciones con mil millones de partículas virtuales, los científicos pueden observar cómo se comportan las estrellas y cómo diversas fuerzas afectan su movimiento a lo largo del tiempo. Esta simulación ofrece ideas sobre la formación de los primeros DCF y cómo estas estructuras pueden cambiar a medida que la galaxia evoluciona.
Hallazgos Clave de la Simulación
Los resultados de GigaEris muestran que las estrellas que se forman en DCF tempranos tienden a moverse hacia el interior con el tiempo. Inicialmente, la mayoría de las estrellas nacidas en estos discos migran hacia el centro de la galaxia en lugar de expandirse hacia afuera. Este movimiento hacia adentro sugiere un proceso de formación diferente al que vemos en el patrón más familiar de "de adentro hacia afuera", donde las estrellas de las regiones exteriores del disco migran hacia el interior a medida que la galaxia envejece.
Curiosamente, una proporción significativa de estrellas nacidas en estos discos tempranos eventualmente contribuye a una característica central de la galaxia conocida como el pseudo-bulbo. Alrededor del 76 por ciento de las estrellas nacidas en el DCF formadas en un momento específico terminan en esta región más adelante.
Implicaciones para la Vía Láctea
Los hallazgos desafían teorías anteriores sobre cómo están estructurados los discos en galaxias como la Vía Láctea. Tradicionalmente, se pensaba que un disco grueso se formaría primero y luego pasaría a un disco más delgado. Sin embargo, las nuevas ideas de GigaEris sugieren que las estrellas formadas en DCF tempranos migran principalmente hacia adentro, llevando a la creación de estructuras que son diferentes de lo que esperaríamos en un escenario típico de "de adentro hacia afuera".
Observaciones de Galaxias de Alto Corrimiento al Rojo
El Telescopio Espacial James Webb (JWST) y el Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) han observado estos discos bien estructurados en galaxias que existieron cuando el universo era mucho más joven. Estas observaciones revelan que el universo temprano fue hogar de formaciones estelares organizadas, lo que complica aún más nuestra comprensión de la evolución galáctica.
La investigación sobre estas galaxias de alto corrimiento al rojo sugiere que nuestra Vía Láctea probablemente tiene un DCF "viejo", compuesto por estrellas pobres en metales que podrían aún influir en la estructura de la galaxia hoy en día. Estas estrellas viejas, caracterizadas por su bajo contenido de metal y movimientos específicos, indican que sus orígenes se remontan a períodos formativos en la historia de la galaxia.
Migración y Poblaciones Estelares
La migración hacia adentro de las estrellas tiene implicaciones significativas para cómo vemos la población de la Vía Láctea. Las estrellas formadas en DCF que nacieron en tiempos anteriores tienden a convertirse en parte del pseudo-bulbo. A medida que el universo envejece, las estrellas formadas en DCF en tiempos posteriores pueden contribuir más al disco grueso en su lugar.
Esto sugiere una relación compleja entre las estrellas que nacieron temprano en la historia de la galaxia y cómo eventualmente pueden encajar en la estructura más grande de la Vía Láctea. El hecho de que muchas estrellas migren hacia adentro podría significar que nuestra comprensión de la formación de la Vía Láctea necesita ajustarse para acomodar estas nuevas ideas.
El Papel del Gas y la Formación Estelar
En las galaxias, el gas juega un papel crucial en la Formación de Estrellas. Las simulaciones indican que la dinámica del gas, particularmente cómo se canaliza hacia el centro de la galaxia, puede afectar significativamente las tasas de formación estelar. Cuando más gas se dirige hacia el centro, puede llevar a explosiones de formación estelar, formando la estructura de la galaxia.
El equilibrio de gas dentro de una galaxia, especialmente en diferentes momentos, también determina cómo las estrellas formadas en varios corrimientos al rojo pueden afectar la composición estelar general en el pseudo-bulbo de una galaxia. Si hay menos gas disponible para la formación estelar, las estrellas resultantes pueden tener características diferentes en comparación con las formadas en entornos ricos en gas.
Desafíos Observacionales y Futuras Investigaciones
A medida que los científicos continúan armando cómo funcionaron las galaxias tempranas, los desafíos en la observación y la recopilación de datos pueden obstaculizar la capacidad de obtener una imagen completa. Sin embargo, las ideas obtenidas de simulaciones como GigaEris guiarán los esfuerzos observacionales futuros, ayudando a los astrónomos a saber dónde mirar y qué medir.
Serán necesarios estudios futuros para explorar más a fondo las conexiones entre los DCF tempranos, las poblaciones estelares actuales y cómo estos hallazgos se alinean con teorías existentes sobre la formación galáctica.
Conclusión
Los hallazgos sugieren una nueva perspectiva sobre cómo las galaxias, particularmente la Vía Láctea, han evolucionado con el tiempo. En lugar de un claro patrón de formación "de adentro hacia afuera", las estrellas en DCF primordiales tienden a migrar principalmente hacia adentro, dirigiéndose a una estructura central que juega un papel vital en la forma actual de la galaxia. Las ideas obtenidas de simulaciones y observaciones de alto corrimiento al rojo sin duda guiarán la investigación en curso, asegurando que la historia de nuestra galaxia continúe desarrollándose de maneras sorprendentes.
A medida que recopilamos más datos y refinamos nuestros modelos, podemos comprender mejor los roles que los DCF y otras estructuras juegan en la formación de las galaxias que vemos hoy, incluida nuestra propia Vía Láctea.
Título: Exploring the fate of primordial discs in Milky Way-sized galaxies with the GigaEris simulation
Resumen: Recent observations with JWST and ALMA have unveiled galaxies with regular discs at significantly higher redshifts than previously expected. This appears to be in contrast with constraints on the stellar populations of the Milky Way, suggesting that the bulk of the Galactic thin disc formed after $z=1$, and raises questions about the history, evolution, and survivability of primordial discs. Here, we use GigaEris, a state-of-the-art $N$-body, hydrodynamical, cosmological ``zoom-in'' simulation with a billion particles within the virial radius, to delve into the formation of the early kinematically cold discs (KCDs), defined by their ratio between the mean rotational velocity and the radial velocity dispersion, of a Milky Way-sized galaxy at redshifts $z\gtrsim 4$. Our analysis reveals a primarily inward migration pattern for disc stars formed at $z \gtrsim 6$, turning into a mix of inward and outward migration at later times. Stars migrating outwards undergo minimal kinematic heating, and might be identified as part of the thin disc forming at much later epochs. We find that approximately 76 per cent of all stars formed in the KCD at $z \sim 7$ become part of a pseudo-bulge by $z = 4.4$. This proportion decreases to below 10 per cent for KCD stars formed at $z \lesssim 5$. The inward migration of stars born in our KCDs at $z \gtrsim 4$ deviates from the expected inside-out formation scenario of thin discs at lower redshifts. Our results suggest a novel ``two-phase'' disc formation process, whereby the early disc transforms primarily into the pseudo-bulge within less than a billion years, whereas the present-day disc forms subsequently from higher-angular momentum material accreted at later times.
Autores: Floor van Donkelaar, Lucio Mayer, Pedro R. Capelo, Piero Madau
Última actualización: 2024-06-17 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2406.11960
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2406.11960
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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