Unraveling the Formation of the Milky Way by cosmological simulations and Gaia

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14532
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 平居 悠 東北大学, 理学研究科, JSPS特別研究員(CPD) (60824232)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 銀河考古学 / 銀河形成 / 銀河系 / 矮小銀河 / 衛星銀河 / 金属欠乏星 / 元素合成 / 化学進化

Outline of Annual Research Achievements

天の川銀河に過去に降着した衛星銀河由来の星の元素組成と動力学的性質についての研究に取り組んだ。そのために、宇宙論的な初期条件から、天の川銀河形成シミュレーションを実施した。このシミュレーションの分解能はガス質量分解能1万太陽質量、スナップショット間隔1000万年である。このシミュレーションのデータを用いて、ハローの合体史を解析した。これに基づき、過去に衛星銀河で形成され、現在は中心銀河の一部となっている星を抽出した。まず、これらの星の動力学的性質を解析した。その結果、より早い時期に合体した衛星銀河由来の星ほど低いエネルギーを有する傾向があった。続いて、これらの星の化学組成の解析を行った。本年度は、マグネシウム、鉄、ユーロピウム組成に着目した。その結果、同じ衛星銀河由来の星では、マグネシウムや鉄の量のばらつきは１桁程度で小さかった。星質量が太陽の100万倍に達した衛星銀河由来の星のマグネシウム分布を見ると、現在天の川銀河周囲に見られる矮小銀河のように、マグネシウムと鉄の比が鉄の量が高い星ほど下がる傾向にあることが明らかになった。一方、ユーロピウム量については、1桁以上のばらつきが見られた。これは、天の川銀河を構成した衛星銀河内でユーロピウム量が不均一であったことを意味する。以上の結果は、観測で得られた星の化学動力学的な情報から、天の川銀河に降着した衛星銀河の進化史を探る手掛かりを与えるものである。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究は概ね計画通り進行した。2022年度は、天の川銀河形成シミュレーションを実施し、そのデータ解析を行った。計算には、国立天文台天文シミュレーションプロジェクトスーパーコンピュータ「ATERUI II」を用い、質量分解能10000太陽質量のモデルを3モデル、質量分解能1000太陽質量のモデルを1モデル行った。質量分解能10000太陽質量のモデルについてのデータ解析を実施し、中心銀河に降着した衛星銀河由来の星を抽出した。これらの星の化学動力学的性質を解析し、中心銀河で形成された星と比較した。本成果は論文としてまとめ、出版した。この他、若い銀河の化学組成、星団形成についての研究を共同で進め、共著論文として出版した。

Strategy for Future Research Activity

2023年度は、赤方偏移0まで天の川銀河サイズのハローについては質量分解能 1000太陽質量、矮小銀河サイズのハローについては質量分解能10太陽質量でシミュレーションを実施する。また、100 太陽質量以上の大質量星が銀河形成に及ぼす影響を明らかにするため、Geneva 恒星進化モデルを化学進化ライブラリに実装する。これらに基づき、降着した矮小銀河由来の星が持つrプロセス元素組成と角運動量・軌道運動エネルギーを高分散分光観測・Gaiaデータによる角運動量と比較する。これにより、銀河系ハローの矮小銀河降着史を明らかにし、銀河系ハローの構成要素と現在の矮小銀河の関係を解明する。

Causes of Carryover

誤納品による返金が生じたため。

Research Products

• [Int'l Joint Research] ノートルダム大学(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: ノートルダム大学
• [Int'l Joint Research] 中山大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 中山大学
• [Journal Article] Formation process of the Orion Nebula Cluster (2023)
  • Author(s): Fujii Michiko S.、Wang Long、Saitoh Takayuki R.、Hirai Yutaka、Shimajiri Yoshito
  • Journal Title: Proceedings of the International Astronomical Union Volume: 16 Pages: 258～261
  • DOI: 10.1017/S1743921322001508
  • Int'l Joint Research
• [Journal Article] Predicting the Expansion of Supernova Shells Using Deep Learning toward Highly Resolved Galaxy Simulations (2023)
  • Author(s): Hirashima Keiya、Moriwaki Kana、Fujii Michiko、Hirai Yutaka、Saitoh Takayuki、Makino Junichiro
  • Journal Title: Proceedings of the International Astronomical Union Volume: 16 Pages: 209～214
  • DOI: 10.1017/S1743921322001739
• [Journal Article] Origin of highly r-process-enhanced stars in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy (2022)
  • Author(s): Hirai Yutaka、Beers Timothy C、Chiba Masashi、Aoki Wako、Shank Derek、Saitoh Takayuki R、Okamoto Takashi、Makino Junichiro
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 517 Pages: 4856～4874
  • DOI: 10.1093/mnras/stac2489
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] EMPRESS. VIII. A New Determination of Primordial He Abundance with Extremely Metal-poor Galaxies: A Suggestion of the Lepton Asymmetry and Implications for the Hubble Tension (2022)
  • Author(s): Matsumoto, A., Ouchi, M., Nakajima, K., Kawasaki, M., Murai, K., Motohara, K., Harikane, Y., Ono, Y., Kushibiki, K., Koyama, S., Aoyama, S., Konishi, M., Takahashi, H., Isobe, Y., Umeda, H., Sugahara, Y., Onodera, M., Nagamine, K., Kusakabe, H., Hirai, Y., et al.
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 941 Pages: 167～167
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac9ea1
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SIRIUS Project - IV. The formation history of the Orion Nebula Cluster driven by clump mergers (2022)
  • Author(s): Fujii Michiko S、Wang Long、Hirai Yutaka、Shimajiri Yoshito、Kumamoto Jun、Saitoh Takayuki
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 514 Pages: 2513～2526
  • DOI: 10.1093/mnras/stac1496
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SIRIUS Project - V. Formation of off-centre ionized bubbles associated with Orion Nebula Cluster (2022)
  • Author(s): Fujii Michiko S、Hattori Kohei、Wang Long、Hirai Yutaka、Kumamoto Jun、Shimajiri Yoshito、Saitoh Takayuki R
  • Journal Title: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Volume: 514 Pages: 43～54
  • DOI: 10.1093/mnras/stac808
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of highly r-process-enhanced stars in a cosmological zoom-in simulation of a Milky Way-like galaxy (2023)
  • Author(s): 平居悠
  • Organizer: 2022年度 国立天文台 CfCA ユーザーズミーティング
• [Presentation] SIRIUS Project: Star-by-Star Simulations of Star Clusters and Galaxies (2023)
  • Author(s): Yutaka Hirai, Michiko S. Fujii, Takayuki R. Saitoh, Long Wang
  • Organizer: The 241st meeting of the American Astronomical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Origin of r-process elements and the Milky Way formation (2022)
  • Author(s): 平居悠
  • Organizer: 宇核連-RCNP研究会「宇宙核物理の展開」(ANP2022)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Origin of r-process enhanced stars in cosmological zoom-in simulations of Milky Way-like galaxies (2022)
  • Author(s): Yutaka Hirai, Timothy C. Beers, Masashi Chiba, Wako Aoki, Derek Shank, Takayuki R. Saitoh, Takashi Okamoto, Junichiro Makino
  • Organizer: The 240th meeting of the American Astronomical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical models of the r-process (2022)
  • Author(s): Yutaka Hirai
  • Organizer: RR Lyrae Stars, Galactic Structure and Chemistry
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Origin of r-process enhanced stars in simulations of Milky Way-like galaxies (2022)
  • Author(s): Yutaka Hirai, Timothy C. Beers, Masashi Chiba, Wako Aoki, Derek Shank, Takayuki R. Saitoh, Takashi Okamoto, Junichiro Makino
  • Organizer: 2022 JINA-CEE Frontiers in Nuclear Astrophysics
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 貴金属に富んだ星々は100億歳 世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功
  • URL: https://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20221114-12355.html
• [Remarks] 貴金属に富んだ星々は100億歳ー世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功ー
  • URL: https://www.nao.ac.jp/news/science/2022/20221114-cfca.html
• [Remarks] 貴金属に富んだ星々は100億歳ー世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功ー
  • URL: https://www.jicfus.jp/jp/press221114/
• [Remarks] 貴金属に富んだ星々は100億歳 世界最高解像度天の川銀河シミュレーションに成功
  • URL: https://www.kobe-u.ac.jp/research_at_kobe/NEWS/news/2022_11_14_01.html
• [Remarks] 新しい高精度シミュレーションが明らかにした星団形成の現場
  • URL: https://www.sci.tohoku.ac.jp/news/20220608-12126.html