[論文レビュー] Deep SDSS optical spectroscopy of distant halo stars II. Iron, calcium, and magnesium abundances

Emma Fernández-Alvar, Carlos Allende Prieto+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 58被引用数 27

ひとこと要約

本研究は、3,944個の遠方ハロー星の深さのあるSDSS光学スペクトルを分析し、スペクトルラインフィッティングとカイ二乗最小化による大気パラメータの導出を用いてFe、Ca、Mgの過剰度を決定した。銀河ハローにおける金属量勾配が強く、20 kpcを超えるガラクティクセンターよりの距離で[Fe/H]、[Ca/H]、[Mg/H]が減少していることが判明し、外側ハロー領域は金属量が低く、より低質量で化学的に進化しにくい準位構造から形成された可能性を示唆しており、階層的銀河形成モデルと整合的である。

ABSTRACT

We analyze a sample of 3,944 low-resolution (R ~ 2000) optical spectra from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), focusing on stars with effective temperatures 5800 < Teff < 6300 K, and distances from the Milky Way plane in excess of 5 kpc, and determine their abundances of Fe, Ca, and Mg. We followed the same methodology as in the previous paper in this series, deriving atmospheric parameters by chi2 minimization, but this time we obtained the abundances of individual elements by fitting their associated spectral lines. Distances were calculated from absolute magnitudes obtained by a statistical comparison of our stellar parameters with stellar-evolution models. The observations reveal a decrease in the abundances of iron, calcium, and magnesium at large distances from the Galactic center. The median abundances for the halo stars analyzed are fairly constant up to a Galactocentric distance r ~ 20 kpc, rapidly decrease between r ~ 20 and r ~ 40 kpc, and flatten out to significantly lower values at larger distances, consistent with previous studies. In addition, we examine the [Ca/Fe] and [Mg/Fe] as a function of Fe/H and Galactocentric distance. Our results show that the most distant parts of the halo show a steeper variation of the [Ca/Fe] and [Mg/Fe] with iron. We found that at the range -1.6 < [Fe/H] < -0.4 [Ca/Fe] decreases with distance, in agreement with earlier results based on local stars. However, the opposite trend is apparent for [Mg/Fe]. Our conclusion that the outer regions of the halo are more metal-poor than the inner regions, based on in situ observations of distant stars, agrees with recent results based on inferences from the kinematics of more local stars, and with predictions of recent galaxy formation simulations for galaxies similar to the Milky Way.

研究の動機と目的

• 低分解能光学分光法を用いて、大規模な遠方ハロー星サンプルにおける鉄、カルシウム、マグネシウムの正確な過剰度を決定すること。
• 階層的銀河形成モデルを検証するため、ミルキーウェイハローにおける金属量およびα要素過剰度比の半径分布を調査すること。
• [α/Fe]が[Fe/H]およびガラクティクセンターよりの距離にどのように依存するかを調べ、ハロー準位構造の星形成歴を解明すること。
• 外側ハローが、内側ハローとは異なる化学的特徴を示す低質量の捕獲準位構造によって支配されているかどうかを評価すること。
• 観測された過剰度勾配を、ミルキーウェイに類似した銀河の宇宙論的シミュレーションの予測と比較すること。

提案手法

• 5800 ≤ T_eff ≤ 6300 K および |z| > 5 kpc を満たす3,944個の星に対して、Sloan Digital Sky Survey (SDSS) から低分解能 (R ~ 2000) の光学スペクトルを取得した。
• 観測スペクトルと合成スペクトルを一致させることでカイ二乗最小化を用い、星の大気パラメータ (T_eff, log g, [Fe/H]) を決定した。
• 合成スペクトルモデリングを用いてスペクトルラインのフィッティングにより、個々の元素過剰度 (Fe, Ca, Mg) を測定した。
• 星の進化モデルとの統計的比較を用いて、得られた星のパラメータから絶対等級を推定し、距離を推定した。
• ガラクティクセンターよりの距離 (r) における過剰度勾配をマッピングし、異なる半径領域で[α/Fe]と[Fe/H]の相関を調べた。
• 健全な過剰度決定を保証するため、径速度および金属量における系統的不確実性に補正を加えた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイハローにおけるFe、Ca、Mgの過剰度は、ガラクティクセンターよりの距離にどのように変化するか？
• RQ2 [α/Fe]に半径勾配があり、[Fe/H]と相関するか。これはハローの星形成歴にどのような示唆をもたらすか？
• RQ3 外側ハロー領域は内側ハローと比較してα要素および鉄の過剰度が低く、これはその起源に何を示唆するか？
• RQ4 観測された過剰度傾向は、低質量準位構造の捕獲によるミルキーウェイの階層的統合と整合的か？
• RQ5 外側ハローにおける[Ca/Fe]および[Mg/Fe]の[Fe/H]に対する勾配の傾きは、内側ハローと異なるか。これは初期質量関数 (IMF) にどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• 中央距離 r ~ 20 kpc を超えると、中央距離の[Fe/H]の中央値が顕著に低下し、r ~ 20 から 40 kpc の間で急激に減少し、さらに大きな距離では平坦化する。
• -1.6 < [Fe/H] < -0.4 の金属量範囲で、[Ca/Fe]比はガラクティクセンターよりの距離が増加するにつれて低下しており、以前の局所的調査と整合的である。
• 一方、同じ金属量範囲で[Mg/Fe]は距離が増加するにつれて増加傾向を示し、外側ハローでは予想される挙動とは逆転している。
• 観測された過剰度勾配は、内側ハローがより高質量の準位構造から形成され、外側ハローが低質量・金属量が低い系から形成されたという階層的統合と整合的である。
• 大半の距離で金属量プロファイルが平坦であることは、外側ハローが星形成効率が低く、かつ初期に化学的に豊かに進化したシステムによって支配されていることを示唆している。
• 外側ハローでは[α/Fe]の[Fe/H]に対する傾きが急であることは、初期質量関数 (IMF) や星形成効率に差がある可能性を示唆しており、最も遠くの領域では高質量の前身天体が好まれる可能性がある。