Studyng the role of galactic rotation on star formation: numerical experiments

Abstract

Estudiamos la formación estelar y el rol de la rotación a escalas galácticas mediante simulaciones numéricas, utilizando el código de grillas adaptativas Enzo. Parte de este trabajo se centra en estudiar tres leyes de formación estelar encontradas en la literatura: las leyes de Kennicutt-Schmidt y Silk-Elmegreen, y la ecuación dimensionalmente homogénea propuesta por Escala (2015), las que relacionan la formación estelar proyectada con propiedades galácticas. Durante la última década, estudios con un mayor número de observaciones y mayor resolución espacial han puesto en duda que tan fidedignas son las leyes de Kennicutt-Schmidt y Silk-Elmegreen. Para la primera, estudios sugieren la existencia de dos regímenes formación estelar con diferente amplitud y otros proponen un único régimen modificando la forma funcional de la ley de Kennicutt-Schmidt original. Para la ley de Silk-Elmegreen grandes modificaciones no han sido requeridas, sin embargo estudios recientes del momento angular en galaxias han mostrado comportamientos contrarios a esta ley. Estos problemas han motivado el estudio del origen físico de estas relaciones y sus formulaciones matemáticas. Entre estos, Escala (2015) encuentra una función que es capaz de explicar varios observables (de observaciones y simulaciones), dependiendo de los procesos físicos que dominan la dinámica galáctica. En este trabajo estudiamos como las galaxias evolucionan comparándolas con estas leyes, mediante cambios en parámetros físicos, específicamente la rotación galáctica.\\ Realizamos simulaciones de galaxias espirales y discos nucleares de galaxias de formación violenta, constituidas por gas, estrellas y materia oscura. Durante la evolución de estas galaxias el gas puede enfriarse, fragmentarse y formar estrellas que interactúan con el medio interestelar mediante explosiones de supernova. Como condiciones iniciales, mantenemos fija la masa en gas y su distribución radial para cada tipo de galaxia mientras el perfil de rotación es variado. Esto nos permite aislar medianamente el efecto producido por la rotación en la evolución de las galaxias. Los parámetros deformación estelar son elegidos para obtener la bimodalidad observada en la ley de Kennicutt-Schmidt. La naturaleza bi-dimensional de esta ley nos motiva a estudiar las leyes mencionadas desde distintas líneas de visión, permitiéndonos probar como estas capturan la naturaleza tridimensional de la formación estelar. Nuestras simulaciones muestran ser bien representadas por las leyes de Kennicutt-Schmidt y Silk-Elmegreen globalmente. Sin embargo, encontramos una anti-correlación entre la eficiencia de formación estelar y la velocidad angular Ω, que no es considerada en estas leyes. Incluyendo los efectos de la inclinación respecto al observador, las simulaciones muestran menores tiempos de consumo de gas en la relación de Kennicutt-Schmidt y tiempos similares en la ley de Silk-Elmegreen, atribuido a efectos geométricos. La ecuación propuesta por Escala (2015) describe la evolución de las simulaciones con menor dispersión que las relaciones anteriores. Bajo esta formulación, diferentes inclinaciones muestran eficiencias similares, debido a que considera la concentración de gas en la línea de visión. Sin embargo, esta relación aún muestra la anti-correlación ya mencionada. Estudiamos esta anti-correlación y encontramos que la eficiencia de formación estelar decrece exponencialmente con la velocidad angular en ambos tipos de galaxia. Requiriendo que la eficiencia sea función de cantidades adimensionales, introducimos el parámetro de tiempo de caída libre inicial τ, encontrando que la eficiencia puede ser descrita por una función exponencial decreciente de Ωτ. Este resultado nos entrega una formación estelar que toma en cuenta la concentración de gas en la línea de visión y variaciones en la velocidad angular.