[論文レビュー] The distribution of [$\alpha$/Fe] in the Milky Way disc

Fiorenzo Vincenzo, David H. Weinberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、APOGEE DR16の赤色巨星を用いて、銀河の円盤部における[$\alpha$/Fe]の固有分布を、選択効果を補正した上でモデル化する。低[Fe/H]領域では二峰性の[$\alpha$/Fe]分布が確認され、明確な最小値によって低$\alpha$および高$\alpha$の二つの集団に分かれている。両集団ともに顕著な固有分散（約0.04 dex）を示しており、化学進化モデルのベンチマークを提供する。

ABSTRACT

Using a sample of red giant stars from the Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) Data Release 16, we infer the conditional distribution $p([\alpha/ ext{Fe}]\,|\,[ ext{Fe/H}])$ in the Milky Way disk for the $\alpha$-elements Mg, O, Si, S, and Ca. In each bin of [Fe/H] and Galactocentric radius $R$, we model $p([\alpha/ ext{Fe}])$ as a sum of two Gaussians, representing "low-$\alpha$" and "high-$\alpha$" populations with scale heights $z_1=0.45\, ext{kpc}$ and $z_2=0.95\, ext{kpc}$, respectively. By accounting for age-dependent and $z$-dependent selection effects in APOGEE, we infer the [$\alpha$/Fe] distributions that would be found for a fair sample of long-lived stars covering all $z$. Near the Solar circle, this distribution is bimodal at sub-solar [Fe/H], with the low-$\alpha$ and high-$\alpha$ peaks clearly separated by a minimum at intermediate [$\alpha$/Fe]. In agreement with previous results, we find that the high-$\alpha$ population is more prominent at smaller $R$, lower [Fe/H], and larger $|z|$, and that the sequence separation is smaller for Si and Ca than for Mg, O, and S. We find significant intrinsic scatter in [$\alpha$/Fe] at fixed [Fe/H] for both the low-$\alpha$ and high-$\alpha$ populations, typically $\sim 0.04$-dex. The means, dispersions, and relative amplitudes of this two-Gaussian description, and the dependence of these parameters on $R$, [Fe/H], and $\alpha$-element, provide a quantitative target for chemical evolution models and a test for hydrodynamic simulations of disk galaxy formation. We argue that explaining the observed bimodality will probably require one or more sharp transitions in the disk's gas accretion, star formation, or outflow history in addition to radial mixing of stellar populations.

研究の動機と目的

• APOGEEの赤色巨星から得られるデータを用いて、銀河円盤部における[$\alpha$/Fe]の固有で選択補正を施した分布を推定すること。
• 低[Fe/H]における[$\alpha$/Fe]の二峰性を解明し、ガラクティック中心距離Rおよび金属量[Fe/H]に依存するその特徴を定量化すること。
• 観測誤差に依存しない形で、低$\alpha$および高$\alpha$集団の[$\alpha$/Fe]における固有分散を測定すること。
• 化学進化モデルおよび円盤銀河形成の流体力学的シミュレーションのための定量的かつ空間的に分解能の高いベンチマークを提供すること。

提案手法

• ガラクティック中心距離Rと[Fe/H]の各階層で、条件付き分布$p([\alpha/Fe] \mid [Fe/H])$を二つのガウス分布の和としてモデル化し、低$\alpha$および高$\alpha$集団を表現する。
• 垂直構造を反映させるために、二つの成分の高さスケールをそれぞれ$z_1 = 0.45$ kpcおよび$z_2 = 0.95$ kpcとする。
• APOGEEにおける年齢および高さ依存の選択効果を補正するため、観測分布を調査の選択関数で逆畳み込み処理する。
• ベイズ的手法を用いて、二つのガウス分布の固有平均$\mu_1$、$\mu_2$、分散$\sigma_1$、$\sigma_2$、および相対的振幅$R_{21}$を推定する。
• APOGEE-DR16の元素分光学的誤差を用い、観測分散を2乗和で差し引くことで、固有分散を分離する。
• 二峰性および分散の要素別差異を評価するため、Mg、O、Si、S、Caの5つの$\alpha$元素を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低[Fe/H]における観測された[$\alpha$/Fe]の二峰性は、固有のものであるか、それともAPOGEEの選択効果に起因するアーチファクトであるか？
• RQ2 ガラクティック中心距離Rおよび[Fe/H]に応じて、低$\alpha$および高$\alpha$集団の相対的顕著性はどのように変化するか？
• RQ3 固定された[Fe/H]において、各集団の[$\alpha$/Fe]における固有分散はどの程度であり、円盤全体でどのように変化するか？
• RQ4 Mg、O、Si、S、Caの間で[$\alpha$/Fe]分布に差異が生じる理由は何か？これにより、核合成および物質供給の歴史に何が示唆されるか？
• RQ5 観測された二峰性[$\alpha$/Fe]分布およびその空間的変化を説明するには、どのような物理的メカニズムが必要か？

主な発見

• 太陽の軌道近辺では、[Fe/H]が太陽未満の領域で[$\alpha$/Fe]分布は二峰性を示し、低$\alpha$ピークと高$\alpha$ピークを明確に分かつ最小値が存在する。
• 高$\alpha$集団は、Rが小さく、[Fe/H]が低く、|z|が大きい領域でより顕著で、厚い円盤起源と整合的である。
• シリコンとカルシウムではピーク間隔が最小であり、マグネシウム、酸素、硫黄では最大である。これは、元素依存の物質供給または混合を示唆する。
• 固定された[Fe/H]において、[$\alpha$/Fe]の固有分散は顕著で、低$\alpha$および高$\alpha$集団の両方で典型的に約0.04 dexの値を示す。
• 二ガウスモデルのパラメータ（平均、分散、相対的振幅）は、R、[Fe/H]、$\alpha$元素に応じて系統的に変化し、化学進化モデルの定量的ターゲットを形成する。
• 二峰性を説明するには、ガス降着、星形成、または吹き出しの歴史に急激な遷移が生じる必要があり、さらに径方向混合も関与する可能性がある。