[論文レビュー] Constraining the structure and formation of the Galactic bulge from a field in its outskirts. FLAMES-GIRAFFE spectra of about 400 red giants around (l,b)=(0°,-10°)

S. Uttenthaler, M. Schultheis+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 77被引用数 46

ひとこと要約

本研究では、銀河座標 (l,b) = (0°,−10°) の401個の赤超巨星の FLAMES-GIRAFFE スペクトルを分析し、銀河の外縁バルジの構造と形成を制約する。金属量分布が二峰性であることが確認され、金属過剰な集団（[M/H] ≈ +0.3）と金属欠乏な集団（[M/H] ≈ −0.6）が存在し、それぞれ銀河のバーと古典的バルジに対応する。また、進化した段階にいる星から金属過剰な星が優先的に質量損失を経験している強力な証拠が得られた。

ABSTRACT

The presence of two stellar populations in the Milky Way bulge has been reported recently. We aim at studying the abundances and kinematics of stars in the outer bulge, thereby providing additional constraints on models of its formation. Spectra of 401 red giant stars in a field at (l,b)=(0°,-10°) were obtained with FLAMES at the VLT. Stars of luminosities down to below the two bulge red clumps (RCs) are included. From these spectra we measure general metallicities, abundances of Fe and the alpha-elements, and radial velocities (RV) of the stars. These measurements as well as photometric data are compared to simulations with the Besancon and TRILEGAL models of the Galaxy. We confirm the presence of two populations among our sample stars: i) a metal-rich one at [M/H] ~+0.3, comprising about 30% of the sample, with low RV dispersion and low alpha-abundance, and ii) a metal-poor population at [M/H] ~-0.6 with high RV dispersion and high alpha-abundance. The metal-rich population could be connected to the Galactic bar. We identify this population as the carrier of the double RC feature. We do not find a significant difference in metallicity or RV between the two RCs, a small difference in metallicity being probably due to a selection effect. The RV dispersion agrees well with predictions of the Besancon Galaxy model, but the metallicity of the "thick bulge" model component should be shifted to lower metallicity by 0.2 to 0.3dex to well reproduce the observations. We present evidence that the metallicity distribution function depends on the evolutionary state of the sample stars, suggesting that enhanced mass loss preferentially removes metal-rich stars. We also confirm the decrease of α-element over-abundance with increasing metallicity.

研究の動機と目的

• 外縁銀河バルジにおける赤超巨星の運動学的性質と元素組成を調査し、バルジ形成モデルを制約すること。
• 観測されたバルジにおける二峰性金属量分布が頑健で、異なる動力学的成分と関連しているかどうかを検証すること。
• 星の進化と質量損失が、バルジにおける観測された金属量分布に与える影響を検討すること。
• BesançonおよびTRILEGAL銀河モデルが観測された運動学的および組成データとどの程度整合するかを評価すること。
• バルジにおける二重赤クラウド特徴が、異なる星集団に起因するのか、あるいは選択効果に起因するのかを特定すること。

提案手法

• VLTを用いて、銀河座標 (l,b) = (0°,−10°) の401個の赤超巨星に対して、中分解能・高信噪比の FLAMES-GIRAFFE スペクトルを取得した。
• スペクトル合成とCOMARCSモデル大気のグリッドへのフィッティングを用いて、径速度、鉄の過剰度（[Fe/H]）、α要素の過剰度（[α/Fe]）を測定した。
• 光度測定データと径速度測定値を用いて、星を進化段階に分類し、特に赤クラウド星に注目した。
• BesançonおよびTRILEGAL銀河モデルの予測と、観測された組成および運動学的分布を比較した。
• 補間およびフィッティング技術を適用して、観測スペクトルから金属量および組成を導出し、系統的誤差を補正した。
• 特に明るい（進化した）星と明るくない（あまり進化していない）星を比較することで、金属量分布が星の進化段階に依存するかを分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外縁銀河バルジにおける赤超巨星の金属量分布はどのようなものであり、二峰性構造を示すか？
• RQ2 二つの金属量集団の運動学的性質と組成パターンはどのように異なり、バルジ形成に何を示唆するか？
• RQ3 巨星の主系列後段階における質量損失が、観測サンプルを金属欠乏な星にどの程度バイアスさせるか？
• RQ4 BesançonおよびTRILEGAL銀河モデルは、外縁バルジにおける観測された運動学的および金属量データをどの程度よく再現するか？
• RQ5 バルジにおける二重赤クラウド特徴は、異なる星集団に起因するのか、それとも選択効果に起因するのか？

主な発見

• 金属過剰集団（[M/H] ≈ +0.3）と金属欠乏集団（[M/H] ≈ −0.6）の間で Δ[M/H] = 0.87 ± 0.03 dex の明確な二峰性金属量分布が確認された。
• 金属過剰集団は低速度分散（σ ≈ 30 km s⁻¹）と低[α/Fe]を示し、バー由来であると整合的である一方、金属欠乏集団は高い速度分散（σ ≈ 90 km s⁻¹）と高い[α/Fe]を示す。
• 金属過剰集団はサンプルの約30%を占め、二重赤クラウド特徴の原因であると特定された。
• 金属量分布関数は星の進化段階に依存しており、最も進化した（明るい）巨星には金属過剰星が少ないことが示され、進化段階で質量損失が優先的に金属過剰星を除去している可能性がある。
• 金属欠乏集団の速度分散はBesançonモデルと一致するが、モデルの「厚いバルジ」成分は平均金属量を0.2–0.3 dex低く調整することで観測と一致するようになった。
• TRILEGALモデルはバルジの平均金属量を過剰に予測し、観測された金属欠乏尾を再現できていないが、金属量補正を施したBesançonモデルは、更新された成分を組み込むことで観測データをよく再現した。