[논문 리뷰] Evolution of the Milky Way with radial motions of stars and gas I. The solar neighborhood and the thin and thick disk

M. Kubryk, Nikos Prantzos외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 01.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 139인용 수 78

한 줄 요약

이 연구는 개선된 화학진화 프레임워크와 갱신된 항성 생산량 및 SNIa 비율을 사용하여 은하수의 화학적 및 구조적 진화를 모델링하며, 항성과 가스의 반경 방향 이동을 통합한다. 이는 반경 방향 이동이 국소 관측치—예를 들어 연령-금속성 관계의 산란, 금속성 분포, O/Fe 대 Fe/H 경향—을 정량적으로 재현함을 보여주며, 반경 방향 가스 유입을 <0.5 km/s 이하로 제약하고, 스케일 길이 1.8 kpc인 두꺼운 디스크가 약 11 kpc까지 연장된다는 예측을 한다.

ABSTRACT

We study the role of radial migration of stars on the chemical evolution of the Milky Way disk. In particular, we are interested in the impact of that process on the local properties of the disk (age-metallicity relation and its dispersion, metallicity distribution, evolution of abundance ratios) and on the morphological properties of the resulting thick and thin disks.We use a model with several new or up-dated ingredients: atomic and molecular gas phases, star formation depending on molecular gas, yields from the recent homogeneous grid provided by Nomoto et al. (2013), observationally inferred SNIa rates. We describe radial migration with parametrised time- and radius-dependent diffusion coefficients, based on the analysis of a N-body+SPH simulation. We also consider parametrised radial gas flows, induced by the action of the Galactic bar. Our model reproduces well the present day values of most of the main global observables of the MW disk and bulge, and also the observed "stacked" evolution of MW-type galaxies from van Dokkum et al. (2013). The azimuthally averaged radial velocity of gas inflow is constrained to less than a few tenths of km/s. Radial migration is constrained by the observed dispersion in the age-metallicity relation. Assuming that the thick disk is the oldest (&gt;9 Gyr) part of the disk, we find that the adopted radial migration scheme can reproduce quantitatively the main local properties of the thin and thick disk. The thick disk extends up to ~11 kpc and has a scale length of 1.8 kpc, considerably shorter than the thin disk, because of the inside-out formation scheme. We also show how, in this framework, current and forthcoming spectroscopic observations can constrain the nucleosynthesis yields of massive stars for the metallicity range of 0.1 solar to 2-3 solar.

연구 동기 및 목표

• 은하수의 얇은 디스크와 두꺼운 디스크의 화학적 및 형태학적 진화에 대한 반경 방향 이동의 영향을 조사한다.
• 은하수의 바의 영향으로 유도되는 반경 방향 가스 유입을 제약하고, 그 화학진화에 미치는 영향을 규명한다.
• 반경 방향 이동이 국소 연령-금속성 관계의 관측 산란과 이중성 O/Fe 대 Fe/H 행동을 재현할 수 있는지 테스트한다.
• 업데이트된 항성 생산량과 SNIa 비율이 태양계 근처의 관측 화학적 특성을 어떻게 형성하는지 평가한다.
• 현재 및 향후 분광학적 데이터를 사용하여 금속성 범위 0.1–3 Z⊙ 내에서의 거대 항성 핵합성 생산량을 제약하는 데 기여한다.

제안 방법

• N-body+SPH 시뮬레이션에서 유도된 시간 및 반경에 의존하는 매개변수화된 확산 계수를 사용하여 반경 방향 이동을 모델링한다.
• 은하수의 바에 의해 유도되는 매개변수화된 반경 방향 가스 유동을 포함하며, 유입 속도는 <0.5 km/s 이하로 제약한다.
• Nomoto 등 (2013)의 균일한 항성 생산량 격자(0–3 Z⊙ 범위)를 저질 및 고질량 항성 모두에 적용한다.
• Greggio (2005) 기반의 업데이트된 SNIa 비율과 늦은 시기 SNIa에 대한 t⁻¹ 거듭제곱 법칙을 적용하며, 금속성에 따라 로그 스케일로 보간된 생산량을 사용한다.
• 분자의 가스 함량에 의존하는 항성 형성 모델을 사용하며, Kroupa (2002)의 IMF를 사용하고 1–100 M⊙ 범위에서 Salpeter 유사 기울기(x = -2.7)를 적용한다.
• 질량 보존을 자발적으로 처리하는 화학진화 방정식을 해결하며, 동위원소 생산량과 우주선 파편화를 통해 리튬, 베릴륨, 붕소를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반경 방향 이동이 국소 연령-금속성 관계의 관측 산란을 재현할 수 있는가?
• RQ2 반경 방향 이동은 태양계 근처의 금속성 분포 함수와 비율 농도(예: O/Fe 대 Fe/H)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 바에 의해 유도되는 반경 방향 가스 유입은 얇은 디스크와 두꺼운 디스크의 화학진화와 형태학적 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모델은 두꺼운 디스크의 관측된 스케일 길이와 반경 범위(예: 약 11 kpc, 1.8 kpc 스케일 길이)를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 현재 및 향후 분광학적 관측은 0.1–3 Z⊙ 범위 내에서 거대 항성의 핵합성 생산량을 어떻게 제약할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 MW 유형 은하의 관측된 누적 진화와 현재 은하수 디스크 및 부두의 전역 관측치를 성공적으로 재현한다.
• 반경 방향 이동은 관측된 연령-금속성 관계의 산란에 의해 제약되며, N-body 시뮬레이션에서 유도된 반경 방향 확산 계수를 포함한다.
• 두꺼운 디스크는 내부에서의 형성과 반경 방향 이동으로 인해 약 11 kpc까지 연장되며 스케일 길이 1.8 kpc로 예측된다. 얇은 디스크보다 훨씬 짧다.
• 반경 방향 가스 유입은 0.5 km/s 이하로 제약되며, 관측 제약과 N-body 시뮬레이션 결과와 일치한다.
• 모델은 이중성 O/Fe 대 Fe/H 관계와 비율 농도의 이중 브랜치 구조를 재현하며, 태양계 근처의 관측 결과와 일치한다.
• 이 프레임워크는 향후 고해상도 분광학적 조사에서 0.1–3 Z⊙ 금속성 범위 내에서 거대 항성 생산량을 제약하는 정량적 기반을 제공한다.