[論文レビュー] Universal properties of the high- and low-{\alpha} disk: small intrinsic abundance scatter and migrating stars

Yuxi, Melissa Ness+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、APOGEE DR16データを用いて、銀河の高αおよび低αディスクにおける年齢-元素含有量関係を分析し、スターリング年齢推定にThe Cannonを適用し、クラスタリングを用いてディスク成分を分離した。両ディスクにおいて形成歴が異なるにもかかわらず、内在的含有量分散がほぼ同一（約0.04 dex）であることが判明し、普遍的な核合成過程を示唆している。また、半径方向移動の証拠を伴う空間的・時間的化学的マッピングにより、内側から始まるおよび逆転したディスク形成の兆候が明らかになった。

ABSTRACT

The detailed age-chemical abundance relations of stars measures time-dependent chemical evolution.These trends offer strong empirical constraints on nucleosynthetic processes, as well as the homogeneityof star-forming gas. Characterizing chemical abundances of stars across the Milky Way over time has been made possible very recently, thanks to surveys like Gaia, APOGEE and Kepler. Studies of the low-${\alpha}$ disk have shown that individual elements have unique age-abundance trends and the intrinsic dispersion around these relations is small. In this study, we examine and compare the age distribution of stars across both the high and low-${\alpha}$ disk and quantify the intrinsic dispersion of 16 elements around their age-abundance relations at [Fe/H] = 0 using APOGEE DR16. We find the high-${\alpha}$ disk has shallower age-abundance relations compared to the low-${\alpha}$ disk, but similar median intrinsic dispersions of ~ 0.04 dex, suggesting universal element production mechanisms for the high and low-${\alpha}$ disks, despite differences in formation history. We visualize the temporal and spatial distribution of disk stars in small chemical cells, revealing signatures of upside-down and inside-out formation. Further,the metallicity skew and the [Fe/H]-age relations - across radius indicates different initial metallicity gradients and evidence for radial migration. Our study is accompanied by an age catalogue for 64,317 stars in APOGEE derived usingThe Cannon with ~ 1.9 Gyr uncertainty across all ages (APO-CAN stars) as well as a red clump catalogue of 22,031 stars with a contamination rate of 2.7%.

研究の動機と目的

• 太陽金属量における16要素の年齢-含有量関係の内在的分散を、高αおよび低αディスク両方の成分で調査すること。
• 形成歴の違いを評価するために、高-および低αディスク間の年齢分布と化学的進化パターンを比較すること。
• 空間的・時間的化学的セルマッピングを用いて、半径方向移動および内側から始まる／逆転したディスク形成の兆候を同定すること。
• 将来の銀河考古学のため、高精度な年齢カタログ（64,317個の星）および赤クラウドカタログ（22,031個の星）を提供すること。

提案手法

• 太陽金属量（[Fe/H] = 0）における16要素の[ X/Fe ]含有量を、APOGEE DR16データから高精度に導出。
• すべての年齢範囲で約1.9 Gyrの不確実性を持つ、スターリング年齢推定にThe Cannon機械学習手法を適用（APO-CAN星）。
• [α/Fe]および[Fe/H]の分布に基づき、クラスタリングアルゴリズムを用いて星を高-および低αディスク成分に分類。
• 位相空間における小さな化学的セルに星をマップし、ディスク集団の時間的・空間的進化を可視化。
• 観測のばらつきを補正した統計的手法を用いて、年齢-含有量関係の内在的分散を定量化。
• ベンチマークとして2,616個の星のAsteroseismic年齢を含むAPOKASCカタログを用いて結果の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高-および低αディスクは、太陽金属量（[Fe/H] = 0）において、年齢-化学的含有量関係の内在的分散が類似しているか？
• RQ2 化学的セル内の星の空間的・時間的分布から、半径方向移動および内側から始まる／逆転したディスク形成の証拠は何か？
• RQ3 形成歴が著しく異なるにもかかわらず、個々の要素の年齢-含有量トレンドは高-および低αディスクでどのように異なるか？
• RQ4 クラスタリング手法と視覚的分類は、高-および低αディスク集団の分離においてどの程度一致するか？
• RQ5 The Cannonによる年齢推定は、全年齢範囲にわたりどの程度信頼性があり一貫性があるか？

主な発見

• 高-および低αディスクは、[Fe/H] = 0における年齢-含有量関係の周囲で、ほぼ同一の中央値内在的含有量分散（約0.04 dex）を示しており、普遍的な核合成過程を示唆している。
• 高αディスクは低αディスクに比べて、年齢-含有量関係がやや浅く、形成スケールや化学的増幅歴の違いを反映している。
• 小さな化学的セルにおける星の空間的・時間的マッピングにより、内側から始まるおよび逆転したディスク形成の明確な兆候が確認され、内側ディスクで古い星が形成され、外側ディスクで若い星が形成されたことが示された。
• 金属量勾配および半径に沿った[Fe/H]-年齢関係から、初期の金属量プロファイルの違いと強い半径方向移動の証拠が示された。
• 本研究は、64,317個の星の高精度年齢カタログと22,031個の星の赤クラウドカタログ（不純物率2.7%未満）を提供し、将来的な大規模銀河考古学を可能にした。
• クラスタリングによる高-および低αディスクの分離は、視覚的分類よりも優れており、高α成分ではより明確で明確な年齢-含有量関係が得られた。