[논문 리뷰] Chemical evolution of the Galactic bulge as traced by microlensed dwarf and subgiant stars. II. Ages, metallicities, detailed elemental abundances, and connections to the Galactic thick disc

T. Bensby, S. Feltzing외 14명|UvA-DARE (University of Amsterdam)|2009. 11. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 72인용 수 65

한 줄 요약

이 연구는 은하 중심부의 15개의 마이크로렌즈 처리된 난쟁이 별과 준거이성 별의 고해상도 스펙트럼을 분석하여 연령, 금속성 및 원소 농도를 규명한다. 그 결과, 거대 별과 일치하는 금속성 분포를 보이나 고유한 농도 경향을 보인다. 저금속성 중심부 별들은 오래되었고 두꺼운 디스크와 화학적으로 유사하며, 초금속성 별들은 다양한 연령을 보이며 이는 이전의 중심부 형성 가정을 도전하고 복잡한 화학적 진화 역사를 시사한다.

ABSTRACT

The Bulge is the least understood major stellar population of the Milky Way. Most of what we know about the formation and evolution of the Bulge comes from bright giant stars. The underlying assumption that giants represent all the stars, and accurately trace the chemical evolution of a stellar population, is under debate. In particular, recent observations of a few microlensed dwarf stars give a very different picture of the evolution of the Bulge from that given by the giant stars. [ABRIDGED] We perform a detailed elemental abundance analysis of dwarf stars in the Galactic bulge, based on high-resolution spectra that were obtained while the stars were optically magnified during gravitational microlensing events. [ABRIDGED] We present detailed elemental abundances and stellar ages for six new dwarf stars in the Galactic bulge. Combining these with previous events, here re-analysed with the same methods, we study a homogeneous sample of 15 stars, which constitute the largest sample to date of microlensed dwarf stars in the Galactic bulge. We find that the stars span the full range of metallicities from [Fe/H]=-0.72 to +0.54, and an average metallicity of =-0.08+/-0.47, close to the average metallicity based on giant stars in the Bulge. Furthermore, the stars follow well-defined abundance trends, that for [Fe/H]<0 are very similar to those of the local Galactic thick disc. This suggests that the Bulge and the thick disc have had, at least partially, comparable chemical histories. At sub-solar metallicities we find the Bulge dwarf stars to have consistently old ages, while at super-solar metallicities we find a wide range of ages. Using the new age and abundance results from the microlensed dwarf stars we investigate possible formation scenarios for the Bulge.

연구 동기 및 목표

• 은하 중심부의 마이크로렌즈 처리된 난쟁이 별과 거대 별의 금속성 분포 간 괴리 문제를 해결한다.
• 마이크로렌즈 별의 고해상도 스펙트럼을 통한 정밀 원소 농도 분석을 통해 중심부의 화학적 진화를 제약한다.
• 비교적 농도 분석을 통해 은하 중심부와 두꺼운 디스크 간의 연관성을 조사한다.
• 마이크로렌즈 사건을 이용해 중심부 별의 연령을 결정함으로써, 거대 별에서는 이뤄지지 않았던 연령-금속성 관계를 규명한다.
• 박층과 두꺼운 디스크의 농도 경향 및 연령 분포를 비교함으로써 중심부의 형성 역사를 평가한다.

제안 방법

• 중심부의 15개 마이크로렌즈 처리된 난쟁이 별과 준거이성 별의 고해상도 스펙트럼을 유럽남부망원경(ESO)을 이용해 중력 마이크로렌즈 사건 동안 확보하였다.
• 태양계 근처의 702개의 F 및 G형 난쟁이 별에 적용된 동일한 방법론을 사용해 완전한 차별적 농도 분석을 수행하여 체계적 오차를 최소화하였다.
• 스펙트럼 합성 및 선별 분석을 통해 13개 원소(O, Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, Y, Ba)의 별 온도(Teff), 표면중력(log g), [Fe/H] 및 원소 농도를 결정하였다.
• 확보된 T_eff, log g 및 [Fe/H]를 기반으로 이소클론(이소클론) 피팅을 통해 별의 연령을 계산하였으며, 마이크로렌즈 증폭으로 인한 고유한 광도 및 스펙트럼 데이터를 활용하였다.
• 일관된 분석 기법을 사용해 중심부의 농도 경향을 지역 박층 및 두꺼운 디스크 인구와 비교하였다.
• K-S 검정을 사용해 바데의 창에서 마이크로렌즈 처리된 난쟁이 별과 거대 별 간의 금속성 분포를 통계적으로 비교하여 차이의 유의성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 중심부의 마이크로렌즈 처리된 난쟁이 별은 거대 별에서 유도된 금속성 분포와 일치하는가?
• RQ2 은하 중심부의 마이크로렌즈 처리된 난징이 별의 농도 경향은 은하 두꺼운 디스크 또는 박층과 화학적으로 유사한가?
• RQ3 은하 중심부의 마이크로렌즈 처리된 난징이 별의 연령 분포는 무엇이며, 중심부의 형성 역사와 어떻게 관련되는가?
• RQ4 관측된 중심부의 농도 패턴은 단일 형성 시나리오로 설명될 수 있는가, 아니면 다수의 형성 채널이 필요한가?
• RQ5 중심부의 α-원소 및 철계 원소의 농도 비율은 태양계 근처의 박층 디스크 인구와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 마이크로렌즈 처리된 난징이 별의 금속성 범위는 [Fe/H] = -0.72에서 +0.54이며, 평균 금속성 ⟨[Fe/H]⟩ = -0.08 ± 0.47 dex로, 바데의 창에서의 거대 별 샘플과 양호한 일치를 보인다.
• 마이크로렌즈 처리된 난징이 별의 금속성 분포는 낮고 높은 금속성에서 과잉을 보이며 비대칭적이고 비균일한 형태를 띠며, K-S 검정에 따르면 이 분포가 거대 별의 MDF와 일치할 가능성은 30%에 불과하여 통계적으로 유의미한 차이가 있음을 시사한다.
• 저금속성 [Fe/H] 영역에서 마이크로렌즈 처리된 난징이 별의 농도 경향은 은하 두꺼운 디스크와 거의 구분되지 않으며, 공통된 화학적 진화 역사를 시사한다.
• 초금속성 [Fe/H] 영역에서 농도 경향은 박층과 더 유사하지만, 고금속성에서 오래된 별과 초금속성에서 5 Gyr 미만의 젊은 별이 존재함으로써 단순한 박층과의 연결은 복잡해진다.
• 모든 [Fe/H] < 0 별들은 오래되었으며(약 10 Gyr), 중심부 초기에 핵붕괴 초신성에 의한 빠른 화학적 풍화를 반영하는 높은 [α/Fe] 비율을 보인다.
• 15개 마이크로렌즈 별의 평균 연령은 8.4 ± 3.3 Gyr이며, 초금속성에서 5 Gyr 미만의 젊은 별이 3개 존재하여 허블 우주망원경/ACS CMD 결과에서 중심부에 젊은 성분이 없음을 보여주는 것과 모순된다.