[論文レビュー] The age structure of stellar populations in the solar vicinity. Clues of a two-phase formation history of the Milky Way disk

M. Haywood, P. Di Matteo+3 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 113被引用数 260

ひとこと要約

本論文は、太陽系近傍星の高精度な元素組成と年齢データに基づき、銀河のディスク形成歴を二段階に分けて提案する。厚いディスクは4–5 Gyrにわたり単調な化学的蓄積を経て形成されたのに対し、内側の薄いディスクはその厚いディスクの終焉時に設定された条件から後に形成された。主な結果として、半径方向の移動が局所的ディスクの形状形成にほとんど寄与しておらず、外側の薄いディスクは厚いディスクの内側段階と同時に形成されたことが示され、内側から外側へのディスク形成仮説に挑戦する。

ABSTRACT

We analyze high quality abundances data of solar neighborhood stars and show that there are two distinct regimes of [alpha/Fe] versus age which we identify as the epochs of the thick and thin disk formation. A tight correlation between metallicity and [alpha/Fe] versus age is clearly identifiable on thick disk stars, implying that this population formed from a well mixed ISM, over a time scale of 4-5 Gyr. Thick disk stars vertical velocity dispersion correlate with age, with the youngest objects having as small scale heights as those of thin disk stars. A natural consequence of these two results is that a vertical metallicity gradient is expected in this population. We suggest that the thick disk set the initial conditions for the formation of the inner thin disk. This provides also an explanation of the apparent coincidence between the step in metallicity at 7-10 kpc in the thin disk and the confinment of the thick disk at about R<10 kpc. We suggest that the outer thin disk developped outside the influence of the thick disk, but also that the high alpha-enrichment of the outer regions may originate from a primordial pollution by the gas expelled from the thick disk. Local metal-poor thin disk stars, whose properties are best explained by an origin in the outer disk, are shown to be as old as the youngest thick disk (9-10 Gyr), implying that the outer thin disk started to form while the thick disk formation was still on-going in the inner Galaxy. We point out that, given the tight age-abundance relations in the thick disk, an inside-out process would give rise to a radial gradient in abundances in this population which is not observed. Finally, we argue that the data discussed here leave little room for radial migration, either to have contaminated the solar vicinity, or, to have redistributed stars in significant proportion across the solar annulus.

研究の動機と目的

• 太陽系近傍の高精度な星の年齢と組成データを用いて、銀河ディスクの形成歴を特定すること。
• 厚いディスクと薄いディスクが独立した集団であるのか、それとも連続的な形成過程の一部であるのかという長年の議論を解消すること。
• 年齢-金属量関係および年齢-[α/Fe]関係の観測結果をもとに、内側から外側へのディスク形成モデルの妥当性を検証すること。
• 星の運動学的・化学的データを用いて、太陽付近における半径方向移動が太陽の領域を横断する星の再配分に果たした役割を評価すること。
• 形成条件に基づく物理的差異と用語の明確化を通じて、『薄いディスク』と『厚いディスク』の区分が成立するかを明らかにすること。

提案手法

• アディベクヤンら（2012）の調査から得られた1,111個のFGK型星のサンプルを用い、高精度な分光的組成と年齢推定を実施。
• [α/Fe] 対 [Fe/H] 図および年齢図を用いて、厚いディスクと薄いディスクの集団に対応する明確な化学的・運動的系列を特定。
• 星の進化モデルと等時曲線フィッティングを用いて、光度と金属量から個々の星の年齢を導出。
• 厚いディスクにおける垂直速度分散と年齢の相関を分析し、構造的進化およびスケール高さの変化を推定。
• 観測された年齢-金属量および年齢-[α/Fe]関係を、内側から外側への形成モデルおよび半径方向移動モデルの予測と比較。
• 運動学的および化学的データを用いて、金属不足の薄いディスク星の起源を推定し、外側ディスク形成との関連を検討。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽系近傍における観測された年齢-金属量および年齢-[α/Fe]関係は、銀河ディスクの二段階形成歴を支持するか？
• RQ2 半径方向移動（ちゅうん）が太陽の領域を横断する星の再配分にどの程度寄与したか、観測された局所的運動学的および化学的パターンに影響を与えたか？
• RQ3 太陽付近の金属不足の薄いディスク星の起源は何か？ それらの年齢は厚いディスク形成期とどのように関係するか？
• RQ4 薄いディスクの半径方向金属量勾配および厚いディスクがR < 10 kpcに限定されている現象は、共通の形成メカニズムで説明可能か？
• RQ5 形成時刻、化学的条件、運動学的性質を考慮すると、従来の『薄いディスク』と『厚いディスク』の区別は依然として有効か？

主な発見

• 厚いディスクは4–5 Gyrにわたり単調な化学的蓄積を経て形成され、[α/Fe]と年齢の間にきわめて強い相関を示しており、均一に混合された星間媒体を示している。
• 厚いディスクにおける垂直速度分散は、時間の経過とともに約50 km s⁻¹から約25 km s⁻¹に減少しており、星形成の進行に伴いディスクが徐々に薄くなっていることを示している。
• 内側の薄いディスクは約8 Gyr前に形成され、厚いディスク形成終了時に残された化学的条件（具体的には[Fe/H] ≈ -0.1 から +0.1 dex、[α/Fe] ≈ 0.1 dex）を引き継いだ。
• 外側の薄いディスクは、厚いディスクの内側段階と同時に、9–10 Gyr前に形成を開始した。これは、厚いディスク由来の金属を豊富に含むガスと、付加された金属不足のガスが混合されたものと考えられる。
• 厚いディスクにおける観測された年齢-[α/Fe]および年齢-金属量関係は、連続的な内側から外側への形成プロセスを否定しており、そのようなモデルでは観測されないような半径勾配を生じるはずである。
• 太陽付近または太陽の領域を横断する星の再配分に半径方向移動（ちゅうん）がほとんど寄与しておらず、観測された運動学的および化学的パターンは顕著な混合を示さない。