[論文レビュー] The Star Formation History of the Milky Way

Gerry Gilmore|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、化学成分データと動力学的制約を組み合わせることで、銀河の星形成歴を再構築し、ハローおよび球状星団が短時間（約100 Myr）の間に低速（約1 M☉/yr）で形成されたのに対し、厚いディスクおよびバルジは長期間（1–3 Gyr）にわたり中程度の速度（1–100 M☉/yr）で形成されたことを明らかにした。一方、薄いディスクは約1–10 M☉/yrの継続的な速度で形成された。これらの結果は、金属量と最終的な重力的ポテンシャルの相関を示しており、銀河の完全なポテンシャルウエル内での在地形成を示唆するため、単純な構築モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

Quantification of the Galaxy's star formation history involves both the duration and the rate of formation, with these parameters being known with different precision for different populations. The early rate of star formation is knowable from modelling chemical element data, the recent rate directly from isochrone analyses of colour-magnitude data. The field halo and globular clusters are almost exclusively old, and formed in at most a few Gyr. The outer bulge probably formed in a short period long ago -- extant data is inconsistent, while the inner bulge/disk is forming today, and has continued to form over time. Only very limited data is available on the inner disk. The outer disk near the Sun seems as old as the halo. The earliest extended disk, which forms the thick disk today, seems to have been in place very early, an observation which is not simply consistent with some galaxy formation models.

研究の動機と目的

• 化学成分データを用いて、銀河の異なる星族における星形成速度と期間を定量化すること。
• 銀河が最終的なポテンシャルウエル内で在地に形成されるのか、それとも小さな系の集合によって構築されるのかを検証すること。
• ハローおよびバルジの星における観測された元素成分の散らばりと整合する最小の星形成速度を特定すること。
• 超新星駆動型混合が、古くからの星族における観測された金属量分散をどのように形作るかを評価すること。
• ミルキーウェイの形成歴が、Madauプロットに見られる宇宙の星形成歴の一般的な傾向と整合するかを評価すること。

提案手法

• Type IIおよびType Ia超新星の遅延に基づき、α元素と鉄族元素比（例：[α/Fe]）の散らばりを、星形成の timescale の診断として用いる。
• 超新星の噴出物が小さな密度の高い領域（例：ダムプド・ライマンアルファ系）で均一化される割合を表す混合効率パラメータ ζ を導入し、星形成速度の下限を設定する。
• 次の式を用いて星形成速度の上限を導出する：R ≤ ζ × η × τ⁻¹ × M_halo、ここで η は主要な成分傾向から外れる星の割合を表す。
• 初期質量関数（IMF）にわたる超新星の生成物のモンテカルロシミュレーションを実施し、適切な混合に必要な超新星数とガス質量を推定する。
• 観測されたハロー質量（2 × 10⁹ M☉）と成分の散らばりを組み合わせ、ハロー星形成の最小持続時間と速度を制約する。
• 球状星団、ハロー、厚いディスク、バルジ、ディスクの各星族の結果を比較し、一貫性のある星形成歴を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河のハロー星における元素成分の散らばりと整合する最小の星形成速度は何か？
• RQ2 フィールドハロー星の観測された金属量分布は、短時間で強い星形成爆発によって説明可能か、それともより長期間にわたる持続的形成を必要とするか？
• RQ3 星の金属量が、その形成時の重力的ポテンシャルの深さを反映している程度はどの程度か。これは、アセンブリではなく在地形成を示唆する。
• RQ4 厚いディスクおよびバルジの星形成歴は、ハローおよび球状星団のそれとどのように異なり、ミルキーウェイの内部構造形成に何を示唆するか？
• RQ5 外縁ディスクおよびハローにおける観測された星形成速度は、宇宙の星形成歴の一般的な傾向（Madauプロット）と整合するか？

主な発見

• フィールドハローおよび球状星団は、100 Myr以内の短いバーストで約1 M☉/yrの速度で形成された。これはα元素比の低散らばりと整合的である。
• 厚いディスクは数×10⁹年間、1–10 M☉/yrの速度で形成された。[α/Fe]の上昇は、初期に急速に形成されたことを示唆している。
• 内部バルジおよびディスクは、過去約10 Gyrにわたり約1–10 M☉/yrの速度で継続的に星形成が行われており、これは継続的な星形成と整合的である。
• バルジには2つの成分がある：10⁸年程度で急速に形成された高[α/Fe]の星族（10–100 M☉/yr）、および約1 Gyrにわたり形成された低[α/Fe]の星族（同程度の速度）。
• 混合効率および観測された成分の散らばりに基づき、ハローの星形成速度は≤10 M☉/yr、最小持続時間は約2 × 10⁷ yrと制約されている。
• 高金属量・低光度系の欠如は、大規模銀河が低金属量の星族系の集合によって形成されるという仮説を否定し、最終的なポテンシャルウエル内での在地形成を支持する。