Chemodynamical evolution of galaxies explored by galaxy formation simulations and Subaru PFS

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21J00153
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 平居 悠 東北大学, 理学研究科, 特別研究員(CPD)
• Project Period (FY): 2021-04-28 – 2026-03-31
• Keywords: 銀河考古学 / 銀河形成 / 銀河系 / 矮小銀河 / 金属欠乏星 / 元素合成 / rプロセス / 化学進化

Outline of Annual Research Achievements

ユーロピウム、金、プラチナなどのrプロセスと呼ばれる元素合成過程で合成される元素を多く持つ星（r-II星）は、天の川銀河の衛星銀河合体史、重元素合成史の情報を保存している。近年の観測により、r-II星には、似た動力学的性質を持つ集団があることが明らかになった。これらは、天の川銀河に過去に降着した衛星銀河の痕跡の可能性がある。しかし、r-II星が天の川銀河形成史の中でどのように形成されたのかは明らかになっていなかった。
本研究では、r-II星の形成環境を明らかにすることを目的とする。本年度は、ガス質量分解能1万太陽質量、スナップショット間隔1000万年の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で得られたデータを解析すると、金属量が太陽の300分の１以下で、ユーロピウムと鉄の比が太陽の5倍以上の星（r-II星）の9割以上が、宇宙誕生から40億年以内に天の川銀河に降着した矮小銀河で形成されたことが明らかになった。一方、金属量の高いr-II星の多くは、天の川銀河本体の局所的にrプロセス元素に富んだガス塊から形成された。低金属量のr-II星の運動を調べると、天の川銀河ハロー星と似た速度分布を示した。さらに、同じ矮小銀河で形成されたr-II星の元素組成を調べると、金属量の分散は小さかったものの、ユーロピウムと鉄の比にはばらつきがあった。これらの結果は、これまでに観測で報告された結果と一致した。本研究により、r-II星は、宇宙初期の天の川銀河への矮小銀河降着史を理解するための手掛かりとなるうることが示された。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究は計画通り進行した。2022年度は、複数のモデルについて天の川銀河形成シミュレーションを実施した。 計算は、質量分解能10000太陽質量のモデルが3モデル、質量分解能1000太陽質量のモデルが1モデル完了している。シミュレーションのデータ解析は、1モデルについてハローの合体史、星の化学動力学的性質の導出まで終了した。これに基づき、ユーロピウムを多く持つ星の形成過程を明らかにした。本成果は論文として出版済みである。この他、星団形成、若い銀河の化学組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

現在存在する矮小銀河と過去に天の川銀河に降着した天の川銀河構成要素の関係を明らかにする。すばる望遠鏡Prime Focus Spectrograph (PFS) 観測開始に向けた準備を進める。2022年度までに行ったシミュレーションから天の川銀河周囲に存在する矮小銀河の星の速度分布と元素組成を示す。これらをすばる望遠鏡PFSと直接比較可能な形にまとめ、天の川銀河周囲の矮小銀河の化学動力学進化史に対する天の川銀河との相互作用の影響を明らかにすることを目指す。
矮小銀河で形成され、現在は天の川銀河の一部となっている星にも着目する。そのために、天の川銀河形成シミュレーションを用いて、これらの星が形成されたハロー質量を解析する。これらの星を赤方偏移0まで追跡し、元素組成 (α元素、rプロセス元素)及び動力学的性質 (速度、角運動量、軌道運動エネルギー)を解析する。これを観測で同定した矮小銀河由来の星と比較する。これにより、矮小銀河が天の川銀河に降着した時期・質量ごとに見られる特徴的な化学動力学的性質を示す。以上から、現在まで天の川銀河と合体せずに存在している矮小銀河と過去に降着した矮小銀河の進化史にどのような違いがあるのかを明らかにする。

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
  • 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)
  • 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 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.jicfus.jp/jp/press221114/
• [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