[論文レビュー] Reviving old controversies: is the early Galaxy flat or round? Investigations into the early phases of the Milky Way formation through stellar kinematics and chemical abundances

P. Di Matteo, M. Spite+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 86被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、ESO 'First Stars'調査から得られた超低金属量星の星の運動学的性質と化学組成を分析し、Gaia DR2データと組み合わせることで、のちに形成された銀河の初期段階を調査した。その結果、銀河の厚いディスクは[Fe/H] ≈ −0.5から[Fe/H] ≈ −6まで連続的に延長しており、『超低金属量の厚いディスク』を形成していることが判明した。これは、急速で散逸的崩壊を伴う形成を示唆し、初期の銀河が球状であったという仮説に反する。

ABSTRACT

We analyse a set of very metal-poor stars for which accurate chemical abundances have been obtained as part of the ESO Large Program "First stars" in the light of the Gaia DR2 data. The kinematics and orbital properties of the stars in the sample show they probably belong to the thick disc, partially heated to halo kinematics, and to the accreted Nissen & Schuster-Gaia Sausage-Enceladus satellite. The continuity of these properties with stars at both higher ($ m [Fe/H]>-2$) and lower metallicities ($ m [Fe/H]

研究の動機と目的

• 初期の銀河が形成段階で平ら（ディスク型）であったか、球状（ハロー型）であったかという長年の議論を解消すること。
• 太陽系近傍の最も金属量が低い星（[Fe/H] < -4）の起源と運動学的性質を特定すること。
• 銀河の厚いディスクが超低金属量領域にまで延長されており、[Fe/H] ≈ -0.5から[Fe/H] ≈ -6の間で連続的な星族を形成しているかどうかを検証すること。
• Gaia Sausage-Enceladus（GSE）の衝突イベントおよび現地で形成されたディスクの加熱が、金属量が低い星の運動学的性質に与える影響を評価すること。
• 観測された運動学的性質と化学組成パターンが、ゼロ金属量における普遍的な初期質量関数（IMF）を支持するかどうかを評価すること。

提案手法

• 102個の非常に金属量が低い星の正確な化学組成（[X/Fe], [Fe/H]）を測定するため、ESO 'First Stars'大規模プログラムの高分解能分光観測を統合した。
• 6次元位相空間軌道および運動学的性質を計算するために、Gaia DR2のアストロメトリックデータ（位置、自己運動、パララックス）を統合した。
• 軌道エネルギー、離心率、角運動量に基づいて、星を運動学的星族に分類した：現地で形成された厚いディスク、加熱されたディスク、およびGSEで捕獲された星。
• 金属量が[Fe/H] ≈ −6から[Fe/H] ≈ −0.5にわたる範囲で、運動学的および化学的性質の連続性を追跡し、星族の連続性を特定した。
• 進化の系列を追跡するために、金属量が高いサンプル（例：Nissen & Schuster 2010, Di Matteo et al. 2018）と超低金属量星の運動学的および化学的行動を比較した。
• 軌道統合と動的分類を用いて、低金属量域において特に、現地で形成されたディスク星と捕獲されたハロー成分を区別した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系近傍の最も金属量が低い星（[Fe/H] < -4）は、ディスク型の運動学的性質を示すか。これは、初期の銀河が平らであったことを示唆する。
• RQ2 標準的な厚いディスク（[Fe/H] ≈ -0.5）と超低金属量星（[Fe/H] < -4）の間で、運動学的および化学的つながりが連続的にあるか。
• RQ3 Gaia Sausage-Enceladus（GSE）衝突イベントおよび現地で形成されたディスクの加熱が、金属量が低い星の運動学的性質をどの程度説明できるか。
• RQ4 超低金属量星における観測された化学組成パターン（例：[α/Fe], [Ba/Fe]）は、ゼロ金属量における普遍的な初期質量関数（IMF）と整合するか。
• RQ5 現地で形成されたディスクが[Fe/H] < -0.5で支配的または唯一の星族であったか。これは、急速で散逸的崩壊を伴う形成を示唆する。

主な発見

• 超低金属量星（[Fe/H] < -4）の運動学的および軌道的性質は、それらが主にハローではなく厚いディスクに属していることを示しており、ディスク型の運動学的性質が[Fe/H] ≈ -6まで延長されている。
• 『超低金属量の厚いディスク』が存在し、[Fe/H] ≈ -0.5から[Fe/H] ≈ -6まで連続的な星族を形成している。これは、厚いディスクが最も金属量が低い領域まで延長されていることを示している。
• 現地で形成された厚いディスクは[Fe/H] ≲ -0.5で支配的であり、これらの金属量域において太陽系近傍に顕著な球状ハロー成分の痕跡は確認されていない。
• Gaia Sausage-Enceladus（GSE）衝突イベントは金属量が低いハロー星の多くを占めているが、低金属量域ではディスク成分が依然として支配的である。
• [Fe/H] ≈ -6から[Fe/H] ≈ -0.5にわたる運動学的および化学的性質の連続性は、初期ディスクの急速で散逸的崩壊を支持しており、長期間にわたるまたは球状の形成段階を必要としない。
• 超低金属量星における観測された組成パターンは、普遍的な初期質量関数（IMF）と整合しており、ゼロ金属量におけるトップヘビーなIMFの予測に反する。