[論文レビュー] Chemodynamical evolution of the Milky Way disk II: Variations with Galactic radius and height above the disk plane

Ivan Minchev, C. Chiappini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 76被引用数 131

ひとこと要約

本研究は、銀河中心からの半径および銀河平面からの高さに応じたミルキーウェイ円盤の化学的・動力学的進化を、ハイブリッドシミュレーション-化学進化手法を用いてモデル化する。結果として、運動的加熱よりも半径方向の移動が星の金属量および[Mg/Fe]分布を形作る主因であることが示され、半径が大きい領域では年齢-金属量関係が平坦化し、円盤平面からの高さが増加するに従い金属量および[Mg/Fe]の勾配が逆転することが判明した。これは年齢依存の星の分布とフラーリング（flaring）に起因する。

ABSTRACT

[Abridge] In the first paper of this series (paper I) we presented a new approach for studying the chemo-odynamical evolution in disk galaxies, focusing on the Milky Way. Here we extend these results to different distances from the Galactic center, looking for variations of observables that can be related to on-going and future spectroscopic surveys. By separating the effects of kinematic heating and radial migration, we show that migration is much more important, even for the oldest and hottest stellar population. The distributions of stellar birth guiding radii and final guiding radii (signifying contamination from migration and heating, respectively) widen with increasing distance from the Galactic center. As a result, the slope in the age-metallicity relation flattens significantly at Galactic radii larger than solar. The radial metallicity and [Mg/Fe] gradients in our model show significant variations with height above the plane due to changes in the mixture of stellar ages. An inversion in the radial metallicity gradient is found from negative to weakly positive (at r<10 kpc), and from positive to negative for the [Mg/Fe] gradient, with increasing distance from the disk plane. We relate this to the combined effect of (i) the predominance of young stars close to the disk plane and old stars away from it, (ii) the more concentrated older stellar component, and (iii) the flaring of mono-age disk populations. We also investigate the effect of recycled gas flows on the mean [Fe/H] and find that in the region 4

研究の動機と目的

• 銀河中心からの半径および円盤平面からの高さに応じてミルキーウェイ円盤の化学的・運動的性質がどのように変化するかを調査すること。
• 半径方向の移動と運動的加熱が観測された化学的・運動的関係に与える影響を分離すること。
• 今後の分光的調査（APOGEE、Gaia、4MOSTなど）における観測的シグネチャを予測すること。
• 再循環ガスの流れが円盤内の化学成分勾配に与える影響を評価すること。
• インサイドアウト円盤形成と半径方向の移動が、観測された金属量および[Mg/Fe]分布をどのように形作るかを評価すること。

提案手法

• 宇宙論的制約を満たす流体力学的シミュレーションと詳細な化学進化モデルを組み合わせ、星の誕生位置と化学組成をタグ付けする。
• 各空間領域に対して時間に依存する星形成歴と金属量の進化を設定し、各星粒子あたり30種類以上の元素を追跡する。
• 太陽半径がバーの2:1外部リンブレッド共振の外側に位置するようにスケーリングされたシミュレーションを用い、ミルキーウェイの観測制約に一致させる。
• 誘導半径、誕生半径、最終半径ごとに星の集団を分析し、移動と加熱の影響を定量化する。
• 模擬調査の選択関数を適用して観測バイアスをシミュレートし、RAVE、SEGUE、APOGEE、Gaiaのデータと直接比較可能にする。
• 円盤平面からの高さ関数としての[Fe/H]および[Mg/Fe]の勾配を、年齢分布と集団のフラーリングによる寄与を分離して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半径方向の移動と運動的加熱は、銀河円盤全体で年齢-金属量関係にどのように異なる影響を与えるか？
• RQ2 太陽半径より大きな半径で観測される年齢-金属量関係の平坦化は、何によって引き起こされるか？
• RQ3 なぜ金属量および[Mg/Fe]の勾配が円盤平面からの高さが増加するに従い逆転するのか？
• RQ4 再循環ガスの流れは、円盤内での化学成分勾配の正確性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 半径方向の移動は、ミルキーウェイ円盤のインサイドアウト形成歴をどの程度隠蔽するのか？

主な発見

• 運動的加熱よりも半径方向の移動が、化学的・運動的関係を形作る主因であり、最も古く最も高温の星の集団に対しても同様である。
• 全半径で[Fe/H] ≈ -0.15 dexに金属量分布のピークが存在し、金属貧困尾は[Fe/H] ≈ -1.3 dexまで延びるが、金属豊富尾は半径が大きくなるに従い減少する。
• [Mg/Fe]分布は全半径で約0.15 dexにピークを示すが、半径が大きくなるに従い低域尾が消失し、高域尾は[Mg/Fe] ≈ 0.45 dexでカットオフする。
• 半径方向の金属量勾配は、r < 10 kpcでは負から弱い正に逆転し、[Mg/Fe]勾配は正から負に逆転する。
• 高さに伴う勾配の逆転は、平面付近に若い星が、外側に古い星が存在し、単一年齢集団のフラーリングが組み合わさった結果である。
• 半径4 < r < 12 kpcの範囲では、再循環ガスの流れにより平均[Fe/H]に0.05–0.1 dexの誤差が生じるが、内向きと外向きの流れが相殺されることで生じる。