Come i flussi di gas modellano l'evoluzione delle galassie

Si prevede che le Galassie assorbano gas fresco dall'ambiente circostante per continuare a formare stelle nel tempo. Questa idea è supportata da teorie e simulazioni, ma le osservazioni reali forniscono per lo più prove indirette. Questo gas fresco porta a cambiamenti evidenti nella composizione chimica delle stelle nascenti e influisce sulla distribuzione dei Metalli nelle stelle, diversa da quella che si vedrebbe in un modello in cui il gas non viene scambiato con l'esterno.

Lo scopo di questo lavoro è misurare quanto gas fresco raccolgono le galassie nel corso della loro esistenza. Vogliamo analizzare le età e il contenuto di metalli delle stelle in queste galassie per avere un quadro più chiaro della loro efficienza nella Formazione stellare nel tempo.

Abbiamo utilizzato dati sulla storia della formazione stellare e del contenuto di metalli per 8,523 galassie da un'indagine chiamata MaNGA. Usando queste informazioni, abbiamo previsto come il contenuto di metalli in un sistema chiuso dovrebbe cambiare nel tempo e calcolato quanto gas deve essere stato assorbito per allineare le nostre previsioni con il reale contenuto di metalli osservato nelle stelle.

I nostri risultati mostrano che il gas raccolto dalle galassie varia a seconda della loro massa. Le galassie più grandi tendono a raccogliere più gas e a farlo prima delle galassie più piccole, che impiegano più tempo ad accumulare il loro gas. Inoltre, le galassie con tassi di formazione stellare attuali più elevati tendono ad avere una storia di raccolta di gas più coerente.

Descriviamo le singole storie di raccolta di gas usando due misure: la quantità totale di gas raccolto e un punto specifico nella storia che indica quando è stato acquisito la maggior parte del gas. Abbiamo trovato una forte correlazione tra la quantità totale di gas raccolto e l'attività complessiva di formazione stellare. Le galassie che stanno formando attivamente stelle di solito raccolgono più gas di quanto ci si aspetterebbe.

#Prove Osservative di Accrescimento di Gas

Nella comprensione attuale della formazione delle galassie, si prevede che le galassie assorbano gas fresco per crescere. Tuttavia, le osservazioni dirette di questo processo sono state difficili perché rilevare il gas in arrivo non è facile. Gli effetti della raccolta di gas, come l'aumento dei tassi di formazione stellare e la riduzione del contenuto di metalli, tendono a verificarsi in momenti diversi, complicando le osservazioni concomitanti.

Alcuni studi hanno rilevato quantità considerevoli di gas fresco legate a un gruppo di galassie che stanno attualmente assorbendo gas. Sono state trovate anche prove di gas più freddo attorno a galassie in formazione stellare, sebbene le piccole quantità suggeriscano che potrebbero non avere abbastanza per supportare la formazione stellare in corso.

Per la nostra galassia, la Via Lattea, le stime indicano un tasso di afflusso di gas di circa 0.1-0.4 masse solari all'anno, che non è sufficiente a spiegare l'attuale tasso di formazione stellare.

La maggior parte delle prove di accrescimento di gas nelle galassie proviene da mezzi indiretti. Ad esempio, la relazione di Schmidt-Kennicutt suggerisce che le galassie non possono mantenere i loro attuali tassi di formazione stellare a lungo senza una fornitura continua di gas. Inoltre, la frazione di gas rispetto alle stelle diminuisce a un ritmo molto più lento rispetto alla densità delle stelle man mano che si torna indietro nel tempo.

Guardando al contenuto chimico si ottiene ulteriore prova indiretta. Si pensa che il gas fresco acquisito dalla rete cosmica sia per lo più povero di metalli, il che aiuta a spiegare il basso contenuto di metalli in alcune aree e i gradienti di metallo evidenti osservati in alcune galassie ad alto redshift.

I modelli di evoluzione chimica nella Via Lattea suggeriscono che l'intervallo ristretto di contenuto di metalli trovato nelle stelle a lunga vita può avvenire solo con afflussi costanti di gas a bassa metallicità. Questi modelli prevedono un tasso decrescente di afflussi di gas nel tempo, con una stima attuale di circa 0.4 masse solari all'anno. Sebbene siano preziosi per testare modelli cosmologici e simulazioni numeriche, è importante notare che la Via Lattea è solo un esempio e che le variazioni nei tassi di raccolta di gas dipendono probabilmente dalla massa, dalla forma e dall'ambiente delle galassie.

In questo studio, abbiamo utilizzato un metodo simile per stimare i tassi di afflusso di gas nel tempo per il nostro campione di 8,523 galassie dall'indagine MaNGA. Abbiamo analizzato la storia della formazione stellare insieme alla relazione tra età e contenuto di metalli per trovare la massa di gas a bassa metallicità necessaria per la metallicità osservata.

#Raccolta Dati e Selezione del Campione

L'indagine MaNGA include osservazioni complete delle galassie. Siamo partiti con oltre 10,000 galassie, affinando il nostro campione rimuovendo quelle con qualità dei dati scadente. Il processo di selezione ha comportato un flagging automatico di galassie con misurazioni discutibili, seguito da controlli umani su varie proprietà come adattamento spettrale, righe di emissione e storia chimica.

Dopo il filtraggio, abbiamo mantenuto 9,087 galassie per la nostra analisi. Abbiamo calcolato la metallicità a un raggio efficace, poiché questo era difficile per galassie altamente inclinate. Il campione rimanente includeva galassie di diverse masse e forme, rappresentando generalmente una vasta gamma di tipi di galassie.

#Metodologia

Per analizzare la storia della formazione stellare e chimica delle galassie, abbiamo utilizzato uno strumento chiamato pyPipe3D, che aiuta a adattare gli spettri per determinare i contributi di diverse popolazioni stellari. Abbiamo misurato la luce dalle popolazioni stellari e derivato la loro storia e contenuto di metalli in base ai modelli osservati nello spettro.

L'approccio di adattamento era non parametrico, il che significa che non presumevamo una forma specifica per la storia della formazione stellare. Il metodo ha permesso maggiore flessibilità e migliore adattamento ai dati raccolti.

Ci siamo concentrati sulle righe di emissione negli spettri, che abbiamo analizzato per correggere eventuali assorbimenti dalle stelle. Misurando queste righe di emissione e tenendo conto degli effetti di redshift e allargamento, abbiamo migliorato la qualità dell'adattamento.

Le frazioni di luce risultanti sono state trasformate in frazioni di massa utilizzando i rapporti massa-luce attesi. Questo ci ha aiutato a capire la storia della formazione stellare e dell'evoluzione chimica, portando a intuizioni su come le atmosfere stellari ricche di metalli riflettano la metallicità del gas da cui si sono formate.

#Modello di Evoluzione Chimica

Il nostro studio ha utilizzato un modello di evoluzione chimica per vedere come cambia il contenuto di metalli nel tempo. Abbiamo integrato la storia della formazione stellare, la massa iniziale di gas e modelli specifici di come diversi elementi evolvono in base ai rendimenti stellari.

Il modello ci aiuta a stimare quanto gas a bassa metallicità deve essere stato incorporato per corrispondere al contenuto di metalli stellari osservato. Abbiamo fatto alcune assunzioni, come che la massa iniziale di gas fosse simile alla massa stellare iniziale e che tutte le galassie in un bin fossero rappresentative di una media.

Utilizzando la comprensione attuale dei processi di formazione stellare e metallici, abbiamo derivato tassi di accrescimento di gas attraverso diverse scale temporali. Il modello ci aiuta a prevedere aree di diluizione e arricchimento, collegando metallicità osservate con afflussi di gas.

#Risultati su Accrescimento di Gas e Efficienza di Formazione Stellare

La nostra analisi ha rivelato diverse tendenze chiave riguardo alla raccolta di gas nelle galassie e alla loro efficienza nella formazione stellare. Le galassie più massicce tendevano a raccogliere più gas, particolarmente prima nella loro evoluzione, e c'era una netta differenza nei tassi di raccolta di gas a seconda dello stato attuale della formazione stellare.

Siamo stati in grado di categorizzare le galassie in base alle loro curve evolutive e stati attuali, notando che le galassie che formano stelle mantenevano tassi di raccolta di gas più elevati. La relazione tra accrescimento di gas e massa stellare era forte, a significare che galassie più massicce mostrano uno schema coerente nei loro afflussi di gas.

Per le galassie attivamente in formazione stellare, la loro storia di raccolta di gas è rimasta significativa nel tempo, suggerendo che l'accesso continuo a gas fresco è cruciale per una formazione stellare sostenuta. L'efficienza nella formazione stellare variava anch'essa, con galassie di tipo precoce che mostravano efficienze più elevate nel passato rispetto al presente.

#Analisi delle Singole Storie di Galassie

Abbiamo spostato il focus da tendenze medie a storie individuali delle galassie nel nostro campione. Analizzando la massa totale di gas raccolto e il momento dell'afflusso di gas, abbiamo osservato una maggiore granularità. I valori negativi nei tassi di accrescimento di gas sono stati impostati a zero per garantire calcoli accurati.

Questa analisi dettagliata ha confermato tendenze precedenti, come la correlazione tra la massa stellare totale formata e la quantità di gas accumulato. Le galassie in formazione stellare hanno mostrato costantemente storie di raccolta di gas migliori rispetto alle galassie ritirate.

Un'osservazione significativa è stata la continua raccolta di gas nelle galassie in formazione stellare, indicando che la loro attuale formazione stellare dipende fortemente dal mantenere una fornitura di gas fresco.

#Efficienza della Formazione Stellare

L'efficienza della formazione stellare (SFE) è stata calcolata dalle nostre storie di raccolta di gas e dai dati di formazione stellare. La SFE è diminuita nel tempo in molte galassie, in particolare quelle che formavano stelle in modo efficiente in passato ma ora mostrano un rallentamento dell'attività.

Abbiamo trovato che le galassie più grandi hanno sperimentato cali più ripidi nell'efficienza rispetto a quelle più piccole, mostrando un cambiamento nelle tendenze di efficienza nel tempo cosmico. Le galassie compatte hanno mostrato efficienze più elevate nella formazione stellare, indicando che la dimensione potrebbe giocare un ruolo nell'efficacia con cui una galassia può formare stelle.

#Confronto con Dati Osservativi

Confrontando la nostra massa di gas rimanente prevista con dati osservati da altre indagini, abbiamo trovato discrepanze principalmente dovute al fatto che non si tenevano adeguatamente conto gli outflow. Alcune galassie ad alta massa hanno mostrato perdite sostanziali di gas, probabilmente legate alla loro storia di formazione stellare e ai processi di feedback associati.

Attraverso questo confronto, abbiamo validato i nostri modelli e trovato che i nostri valori previsti si allineavano generalmente con la letteratura consolidata, ma richiedevano aggiustamenti per riflettere meglio la presenza di outflow.

#Conclusione

Abbiamo dimostrato l'influenza significativa che gli afflussi di gas hanno su come evolvono le galassie e su come possono mantenere la formazione stellare nel tempo. I nostri risultati supportano l'idea che l'accesso continuo a gas puro sia critico per le galassie per sostenere le loro attività di formazione stellare.

Nonostante potenziali problemi di accuratezza legati alle condizioni iniziali del gas e alle specifiche di diverse fasi di gas, il nostro studio evidenzia l'importanza dell'accrescimento di gas per comprendere l'evoluzione delle galassie e le relazioni tra formazione stellare e processi chimici.

Misurando le proprietà delle popolazioni stellari nelle galassie, possiamo recuperare informazioni sui loro flussi di gas e arricchire la nostra comprensione della storia cosmica e dello sviluppo delle galassie. Future ricerche mireranno a perfezionare questi risultati, affrontando aree di incertezza e migliorando la nostra comprensione di come le galassie interagiscono con i loro ambienti nel tempo.

Con questo lavoro, forniamo un quadro più chiaro dei processi che plasmano le galassie, illustrando la complessa rete di interazioni che guidano la loro crescita e evoluzione.