[論文レビュー] The Milky Way's bar and bulge revealed by APOGEE DR16 and Gaia DR2

A. B. A. Queiroz, C. Chiappini+21 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、APOGEE DR16 および Gaia DR2 データを用いて、銀河の内側領域に位置する 24,000 隻を超える恒星を分析し、[$\alpha$/Fe]、[C/N]、[Mn/O] の比に化学的不連続性を発見した。これは、高-$\alpha$ および低-$\alpha$ 群の間の星形成停止のギャップを示している。研究では、バーブ、内側薄い・厚いディスク、および圧力支持型金属量成分といった共存する恒星群を特定した。また、バーバーに捕らえられた恒星は化学的二重性を保持しており、バーバー捕らえが効率的であるが、化学的に明確に区別されないことを示した。

ABSTRACT

We investigate the inner regions of the Milky Way with a sample of unprecedented size and coverage thanks to APOGEE DR16 and {\it Gaia} DR2 data. Our inner Galactic sample has more than 24,000 stars within $|X_{ m Gal}| <5$ kpc, $|Y_{ m Gal}| <3.5$ kpc, $|Z_{ m Gal}| <1$ kpc, and we also make the analysis for a foreground-cleaned sub-sample of 7,000 stars more representative of the bulge-bar populations. The inner Galaxy shows a clear chemical discontinuity in key abundance ratios [$\alpha$/Fe], [C/N], and [Mn/O], probing different enrichment timescales, which suggests a star formation gap (quenching) between the high- and low-$\alpha$ populations. For the first time we are able to fully characterize the different populations co-existing in the innermost regions of the Galaxy via a joint analysis of the distributions of rotational velocities, metallicities, orbital parameters and chemical abundances. The chemo-kinematic analysis reveal presence of the bar; of an inner thin disk; of a thick disk, and of a broad metallicity population, with a large velocity dispersion, indicative of a pressure supported component. We find and characterize chemically and kinematically a group of counter-rotating stars, which could be the result of gas-rich merger event or just the result of clumpy star formation during the earliest phases of the early disk, which migrated into the bulge. Finally, based on the 6D information we assign stars a probability value of being on a bar orbit and find that most of the stars with large bar orbit probabilities come from the innermost 3 kpc. Even stars with high probability of belonging to the bar show the chemical bimodality in the [$\alpha$/Fe] vs. [Fe/H] diagram. This suggests bar trapping to be an efficient mechanism, explaining why stars on bar orbits do not show a significant distinct chemical abundance ratio signature.

研究の動機と目的

• 高精度な恒星データを用いて、銀河の内側領域の化学的・運動的構造を特徴づけること。
• 運動学と化学組成の統合的解析を通じて、バーブ、内側薄い・厚いディスク、圧力支持型成分といった明確な恒星群を特定すること。
• 反転運動を示す恒星の起源を調査し、初期のガス豊富な合体やかたまり状の星形成との関連を検討すること。
• バーバー捕らえが、銀河の内側領域における恒星の運動的および化学的分布をどのように形作っているかを評価すること。
• バーバー軌道上にある恒星が、特徴的な化学組成パターンを示すかどうかを検証し、バーバー捕らえの効率性を評価すること。

提案手法

• |X| < 5 kpc、|Y| < 3.5 kpc、|Z| < 1 kpc の範囲内で、24,000 隻を超える恒星について、6次元位相空間情報（位置および速度）を取得するため、APOGEE DR16 の分光データと Gaia DR2 のアストロメトリックデータを統合する。
• バーブ・バルジ恒星群の分析に適した代表的サブサンプルを抽出するため、前景色除去手順を適用する。
• 金属量、[$\alpha$/Fe]、[C/N]、[Mn/O]、回転速度、軌道パラメータ、化学組成比を統合的に分析し、恒星群を区別する。
• 6次元位相空間データを用いて、各恒星がバーブ軌道上にある確率を計算し、バーブに捕らえられた恒星を同定する。
• 異なる運動学的および軌道的グループにおける、[$\alpha$/Fe] 対 [Fe/H] 図上での高-および低-$\alpha$ 群の共存状況を分析する。
• 統計的モデリングを用いて、バーブに捕らえられた恒星が非バーブ恒星と比較して、化学的に特徴的なシグネチャを示すかどうかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河の最も内側領域の化学的・運動的特性は何か。それらはどのように異なる恒星群を明らかにするか？
• RQ2 銀河の内側に存在するバーブが、バーブ軌道上にある恒星に化学的に特徴的な群を生じさせるか？
• RQ3 観測された [$\alpha$/Fe]、[C/N]、[Mn/O] の比における化学的不連続性の原因は何か。星形成歴にどのような意味をもたらすか？
• RQ4 銀河の内側で同定された反転運動を示す恒星群の起源は何か？
• RQ5 バーブ捕らえは、恒星を捕らえる際にどれほど効率的か。また、元の化学的特徴を保持するか？

主な発見

• [$\alpha$/Fe]、[C/N]、[Mn/O] の比に明確な化学的不連続性が確認され、銀河の内側領域における高-および低-$\alpha$ 群の間の星形成停止ギャップが示された。
• 銀河の内側領域には、バーブ、内側薄いディスク、厚いディスク、および大きな速度分散を示す圧力支持型金属量成分という複数の共存する恒星群が存在する。
• 反転運動を示す恒星群が同定され、これは初期のガス豊富な合体やディスク形成期のかたまり状星形成に起因する可能性が高い。
• バーブ軌道上にある確率が高いかつ高い恒星の多くは、内側 3 kpc に位置しており、この領域における強いバーブの影響を示している。
• 高いバーブ軌道確率にもかかわらず、[$\alpha$/Fe] 対 [Fe/H] 図における化学的二重性が保持されており、バーブ捕らえが元の化学的特徴を消去しないことを示している。
• バーブに捕らえられた恒星においても化学的二重性が持続していることから、バーブ捕らえは非常に効率的であるが、顕著な化学的混合を引き起こさないことが示された。