[論文レビュー] Exploring the Milky Way stellar disk. A detailed elemental abundance study of 714 F and G dwarf stars in the Solar neighbourhood

T. Bensby, S. Feltzing+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 111被引用数 458

ひとこと要約

本研究では、太陽系近傍の714個のF型およびG型矮星を対象に、Fe I/Fe IIのイオン化平衡と励起状態平衡を用いた高分解能分光的分析を行い、星のパラメータと元素の過剰度を導出した。その結果、二峰性の[α/Fe]分布が示され、二つの化学的に異なる集団が存在することが判明した。一つは古く、α過剰の厚磁盤で、銀河の内側で形成されたものであり、もう一つは若く、α過剰度が低い薄磁盤で、外側磁盤から形成されたものである。ヒエラルス・ストリームやアクトルス・グループといった動力学的特徴は、外部からの吸収とは関係なく、内部銀河過程に起因する可能性が高い。

ABSTRACT

ABRIDGED: METHODS: We have conducted a high-resolution spectroscopic study of 714 F and G dwarf and subgiant stars in the Solar neighbourhood. The star sample has been kinematically selected to trace the Galactic thin and thick disks to their extremes...... The determination of stellar parameters and elemental abundances is based on a standard 1-D LTE analysis using equivalent width measurements in high-resolution (R=40000-110000) and high signal-to-noise (S/N=150-300) spectra obtained with..... RESULTS: .... Our data show that there is an old and alpha-enhanced disk population, and a younger and less alpha-enhanced disk population. While they overlap greatly in metallicity between -0.7

研究の動機と目的

• 太陽系近傍のFおよびG型矮星の大規模サンプルを用いて、銀河の磁盤の年齢および過剰度構造をマッピングすること。
• 化学的および運動的性質に基づいて、薄磁盤および厚磁盤の集団を区別すること。
• ヒエラルス・ストリームやアクトルス・ムービング・グループなどの運動的準位構造の起源を調査すること。
• 特に1次元局所熱平衡（1D LTE）解析における「平坦な主系列症候群」に起因する系統的バイアスを特定・是正すること。
• 元素の過剰度と軌道パラメータを用いて、銀河磁盤の形成歴史を制約すること。

提案手法

• 複数の望遠鏡（VLT/UVES、ESO 1.5-m/2.2-m/FEROS、NOT/SOFIN/FIES、Magellan/MIKE）を用いた高分解能（R = 40,000–110,000）かつ高信号対雑音比（S/N = 150–300）分光測定。
• 714個のFおよびG型矮星に対して、等価幅測定を用いた1次元局所熱平衡（1D LTE）解析を実施。個々のFe I線に対して非局所熱平衡（NLTE）補正を適用。
• Fe IおよびFe II線のイオン化平衡と励起状態平衡を用いて、星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]）を導出。
• 銀河ポテンシャルモデルと星の位置・速度を用いて、軌道および運動パラメータを計算。
• 主系列星の表面重力（log g）に対して、ヒッパルコス視差を比較することで、実験的補正を施した。これにより「平坦な主系列症候群」を解消。
• 酸素（O）、ナトリウム（Na）、マグネシウム（Mg）、アルミニウム（Al）、ケイ素（Si）、カルシウム（Ca）、チタン（Ti）、クロム（Cr）、鉄（Fe）、ニッケル（Ni）、亜鉛（Zn）、イットリウム（Y）、バリウム（Ba）の13要素の化学的過剰度分析を行い、磁盤集団の区別を追跡。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系近傍における薄磁盤および厚磁盤集団の化学的・運動的差異は何か？
• RQ2 ヒエラルス・ストリームおよびアクトルス・ムービング・グループは、破壊された集団または外部銀河からの吸収残渣としての化学的・年齢的特徴を示すか？
• RQ3 標準的な1次元局所熱平衡（1D LTE）解析によるイオン化平衡を用いた場合、低質量主系列星のlog gにどの程度の系統的誤差が生じるか？
• RQ4 星の軌道パラメータは[α/Fe]および金属量とどのように相関するか？また、それらは銀河磁盤内での出生場所を何を示唆するか？
• RQ5 観測された[α/Fe]の二峰性は、実際の集団の違いであるのか、パラメータの不確実性に起因するアーティファクトなのか？

主な発見

• [α/Fe]に明確な二峰性分布が観測され、古くα過剰の厚磁盤集団と、若くα過剰度が低い薄磁盤集団が存在することが判明。両者は[Fe/H] ≈ −0.7から+0.1の金属量領域で重複している。
• α過剰集団の軌道パラメータは、銀河の内側磁盤からの出生を示唆しており、厚磁盤の短いスケール長を支持する。一方、低α星は主に外側磁盤から来ている。
• ヒエラルス・ストリームおよびアクトルス・ムービング・グループは、特徴的な化学的または年齢的パターンを示さない。その過剰度および年齢分布は厚磁盤とほぼ一致しており、これらは外部からの吸収ではなく、内部銀河過程に起因する動力学的特徴である可能性が高い。
• 標準的な1D LTE解析によるイオン化平衡は、低質量主系列星においてHR図に「平坦な主系列」を生じさせるが、ヒッパルコス視差を用いた実験的補正により是正可能である。一方、発達した星（主系列曲がり以降）には影響しない。
• 「平坦な主系列症候群」は、低質量星においてイオン化平衡を強制することで生じるアーティファクトであり、この問題は視差に基づくlog gを用いない解析に影響を及ぼす。
• 磁盤集団の分離の時期（約80億年前）は、初期の大規模合体イベントの証拠と一致しており、厚磁盤形成と初期吸収の間に因果関係がある可能性を示唆するが、厚磁盤自体はそのような出来事の残渣ではない可能性が高い。