[논문 리뷰] Chemodynamical evolution of the Milky Way disk II: Variations with Galactic radius and height above the disk plane

Ivan Minchev, C. Chiappini외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 22.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 76인용 수 131

한 줄 요약

이 연구는 태양계 중심 반경과 은하면 위 높이에 따라 은하수 디스크의 화학역학적 진화를 하이브리드 시뮬레이션-화학진화 접근법을 사용해 모델링한다. 연구는 궤도 이동이 운동적 가열보다 별의 금속성 및 [Mg/Fe] 분포를 결정짓는 데 지배적임을 보여주며, 이로 인해 더 큰 반경에서 연령-금속성 관계가 평탄해지고, 디스크면 위 높이가 증가함에 따라 금속성 및 [Mg/Fe]의 경사가 반전됨을 나타낸다. 이는 연령에 따라 달라지는 별의 분포와 디스크의 팽창 현상 때문이다.

ABSTRACT

[Abridge] In the first paper of this series (paper I) we presented a new approach for studying the chemo-odynamical evolution in disk galaxies, focusing on the Milky Way. Here we extend these results to different distances from the Galactic center, looking for variations of observables that can be related to on-going and future spectroscopic surveys. By separating the effects of kinematic heating and radial migration, we show that migration is much more important, even for the oldest and hottest stellar population. The distributions of stellar birth guiding radii and final guiding radii (signifying contamination from migration and heating, respectively) widen with increasing distance from the Galactic center. As a result, the slope in the age-metallicity relation flattens significantly at Galactic radii larger than solar. The radial metallicity and [Mg/Fe] gradients in our model show significant variations with height above the plane due to changes in the mixture of stellar ages. An inversion in the radial metallicity gradient is found from negative to weakly positive (at r<10 kpc), and from positive to negative for the [Mg/Fe] gradient, with increasing distance from the disk plane. We relate this to the combined effect of (i) the predominance of young stars close to the disk plane and old stars away from it, (ii) the more concentrated older stellar component, and (iii) the flaring of mono-age disk populations. We also investigate the effect of recycled gas flows on the mean [Fe/H] and find that in the region 4

연구 동기 및 목표

• 은하수 디스크의 화학적 및 운동학적 성질이 은하 중심 반경과 디스크면 위 높이에 따라 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 관측된 화학-운동학 관계에 영향을 주는 궤도 이동과 운동적 가열의 영향을 분리하기 위해.
• 향후 스펙트로스코픽 조사(예: APOGEE, Gaia, 4MOST)에서 관측 가능한 서명을 예측하기 위해.
• 재순환 가스 유동이 디스크 내 화학 농도 경사에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 내부에서 외부로 디스크 형성과 궤도 이동이 관측된 금속성 및 [Mg/Fe] 분포를 어떻게 형성하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 우주론적으로 동기화된 유체역학적 시뮬레이션과 세밀한 화학진화 모델을 결합하여, 별의 탄생 위치와 화학 조성을 태그한다.
• 각 공간 격자에 대해 시간에 따라 변화하는 항성 형성 역사와 금속성 진화를 구현하며, 각 항성 입자당 30개 이상의 원소를 추적한다.
• 태양 반경이 바의 2:1 외부 리드블라드 공진의 바로 외부에 위치하도록 재스케일링된 시뮬레이션을 사용하여 은하수 제약 조건을 충족시킨다.
• 가장자리 반경, 탄생 반경, 최종 반경을 기반으로 항성 집단을 분석하여 이동 및 가열 효과를 정량화한다.
• 모의 조사 선택 함수를 적용하여 관측 편향을 시뮬레이션하고 RAVE, SEGUE, APOGEE, Gaia의 데이터와 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 디스크면 위 높이에 따른 [Fe/H] 및 [Mg/Fe]의 경사도를 연령 분포와 집단의 팽창 현상으로부터 기여도를 분리하여 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 궤도 이동과 운동적 가열은 은하수 디스크 전반에서 연령-금속성 관계에 어떻게 다르게 영향을 미치는가?
• RQ2 태양 반경보다 큰 반경에서 관측된 연령-금속성 관계가 평탄해지는 이유는 무엇인가?
• RQ3 왜 금속성 및 [Mg/Fe]의 경사가 디스크면 위 높이가 증가함에 따라 반전되는가?
• RQ4 재순환 가스 유동은 디스크 내 화학 농도 경사의 정확도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 궤도 이동은 은하수 디스크의 내부에서 외부로 형성된 역사가 얼마나 흐리지게 하는가?

주요 결과

• 조금이라도 오래된 항성 집단조차도 궤도 이동이 운동적 가열보다 화학-운동학 관계를 결정짓는 데 지배적이다.
• 모든 반경에서 금속성 분포의 피크는 [Fe/H] ≈ -0.15 dex에 위치하며, 금속 빈약한 尾첨은 [Fe/H] ≈ -1.3 dex까지 연장되지만, 금속 농도 높은 꼬리는 반경이 증가함에 따라 감소한다.
• [Mg/Fe] 분포의 피크는 모든 반경에서 약 0.15 dex에 위치하지만, 반경이 증가함에 따라 저항대 꼬리가 사라지고 고농도 꼬리가 [Mg/Fe] ≈ 0.45 dex에서 잘린다.
• 반경 금속성 경사는 r < 10 kpc에서 음성에서 약간의 양성으로 반전되며, [Mg/Fe] 경사는 디스크면 위 높이가 증가함에 따라 양성에서 음성으로 반전된다.
• 높이에 따른 경사 반전 현상은 평면 근처의 젊은 별, 더 멀리 떨어진 곳의 오래된 별, 그리고 단일 연령 집단의 팽창 현상의 조합에 기인한다.
• 반경 4 < r < 12 kpc 범위에서 재순환 가스 유동은 내부 및 외부 유동의 상쇄로 인해 평균 [Fe/H]의 오차가 0.05–0.1 dex 미만으로 발생한다.