[論文レビュー] Two distinct halo populations in the solar neighborhood. III. Evidence from stellar ages and orbital parameters

W. J. Schuster, E. Moreno+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 102被引用数 62

ひとこと要約

本研究では、星の年齢と軌道パラメータを用いて、太陽系近傍の金属過剰なハロー星群に2つの異なる集団が存在することを特定した。'ハイ・アルファ'星は11–12 Gyrの高齢で、密な軌道（r_max ≈ 16 kpc, z_max ≈ 6–8 kpc）を示すが、'ロウ・アルファ'星は8–10 Gyrの若年で、高い離心率と広範な軌道（r_max ≈ 30–40 kpc, z_max ≈ 18 kpc）を示す。結果は、ハイ・アルファ星の形成は局所的であり、ロウ・アルファ星の形成は矮星銀河（ω Cenを含む可能性あり）の吸収を伴う二重形成シナリオを支持する。

ABSTRACT

In Papers I and II of this series, the existence of two distinct halo populations of stars have been found in the solar neighborhood. Precise relative ages and orbital parameters are determined for 67 halo and 16 thick-disk stars having metallicities in the range -1.4 < [Fe/H] < -0.4 to better understand the context of the two halo populations in the formation and evolution of the Galaxy. Ages are derived by comparing the positions of stars in the logT_{eff}-log(g) diagram with isochrones from the Y^2 models interpolated to the exact [Fe/H] and [alpha/Fe] values of each star. Possible systematic errors in T_{eff} and log(g) are considered and corrected. With space velocities from Paper I as initial conditions, orbital integrations have been carried out using a detailed, observationally constrained Milky Way model including a bar and spiral arms. The `high-alpha' halo stars have ages 2-3 Gyr larger than the `low-alpha' ones. The orbital parameters show very distinct differences between the `high-alpha' and `low-alpha' halo stars. The `low-alpha' ones have r_{max}'s to 30-40 kpc, z_{max}'s to approx. 18 kpc, and e_{max}'s clumped at values greater than 0.85, while the `high-alpha' ones, r_{max}'s to about 16 kpc, z_{max}'s to 6-8 kpc, and e_{max} more or less uniformly distributed over 0.4-1.0. A dual in situ-plus-accretion formation scenario best explains the existence and characteristics of these two halo populations, but one remaining defect is that this model is not consistent regarding the r_{max}'s obtained for the in situ `high-alpha' component; the predicted values are too small. It appears that omega Cen may have contributed in a significant way to the existence of the `low-alpha' component; recent models, including dynamical friction and tidal stripping, have produced orbital parameters as great as those of the `low-alpha' component.

研究の動機と目的

• 太陽系近傍の金属過剰ハロー星および厚磁盤星の正確な星の年齢と軌道パラメータを特定すること。
• 先行研究で特定された[α/Fe] 対 [Fe/H] 図における2つの異なるハロー集団の起源を解明すること。
• 観察された運動学的および年齢的差異が、局所的形成と矮星銀河の吸収を含む二重形成シナリオによって説明可能かどうかを検証すること。
• ω Cen や他の矮星銀河がロウ・アルファハロー集団への寄与を果たす役割を評価すること。

提案手法

• 星の年齢は、観測された log T_eff – log g の位置を、Y²星の進化等温線と比較することで導出された。等温線は、各星の正確な [Fe/H] および [α/Fe] に補間された。
• 有効温度および表面重力における系統的誤差は、先行分析からの分光データを用いて評価され、補正された。
• 軌道パラメータ（r_max, z_max, e_max）は、回転するバーとスパイラル構造を含む詳細なミルキーウェイモデルを用いた軌道統合によって計算された。
• 軌道統合の初期条件は、ペーパーIの空間速度に基づき、観測された運動学的および化学組成データを用いた。
• モデルには、銀河ポテンシャルに関する観測的制約が組み込まれており、吸収された系に対しては動的摩擦と潮汐剥離も含めた。
• ω Cen に類似した前身天体を用いた比較的シミュレーションを実行し、ロウ・アルファ集団の観測された軌道極端性との整合性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 先行研究の[α/Fe] 対 [Fe/H] 図で特定された2つの金属過剰ハロー集団（ハイ・アルファおよびロウ・アルファ）は、年齢および軌道的ダイナミクスにおいて顕著に異なるか？
• RQ2 観測された年齢的および軌道的差異は、局所的形成と矮星銀河の吸収を含む二重形成シナリオによって説明可能か？
• RQ3 ロウ・アルファ集団の軌道的範囲は、ω Cen に類似した巨大で破壊された矮星銀河からの起源と整合的か？
• RQ4 複数の吸収された矮星銀河からの寄与が想定されるにもかかわらず、なぜロウ・アルファシーケンスは化学的分散が限定的（Δ[α/Fe] ≈ 0.04–0.06 dex）なのか？

主な発見

• 'ハイ・アルファ'ハロー星は'ロウ・アルファ'星よりも2–3 Gyr高齢であり、それぞれ11–12 Gyrおよび8–10 Gyrの年齢である。
• 'ロウ・アルファ'星は極端な軌道的性質を示す：r_max ≈ 30–40 kpc, z_max ≈ 18 kpc, および e_max > 0.85 であり、高い離心率とハロー全域をカバーする軌道を示している。
• 'ハイ・アルファ'星はより限定的な軌道を示す：r_max ≈ 16 kpc, z_max ≈ 6–8 kpc, および e_max は0.4から1.0に均等に分布している。
• 'ロウ・アルファ'集団の軌道パラメータは、特に動的摩擦と潮汐剥離を含めた場合、ω Cen に類似した巨大な吸収天体からの起源と整合的である。
• 'ハイ・アルファ'星の局所的形成モデルでは、観測された r_max 値を再現できないため、形成ポテンシャルに関する仮定の見直しが必要であることが示唆された。
• 'ロウ・アルファ'シーケンスの化学的分散が限定的（例：Δ[α/Fe] ≈ 0.04–0.06 dex）であることは、共通の起源または非常に類似した星形成歴を示しており、単純な階層的吸収モデルに反する。