[논문 리뷰] The disc origin of the Milky Way bulge: Dissecting the chemo-morphological relations using N-body simulations and APOGEE

Francesca Fragkoudi, P. Di Matteo외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 01.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 83인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 은하수 부근이 복합 얇은 디스크와 두꺼운 디스크의 비정상적 진화에서 기인하며, 상자형/아몬드형(b/p) 부근은 바의 영향으로 인한 수직 가열에 의해 형성된다고 제안한다. N-체 시뮬레이션과 APOGEE DR13 데이터를 사용하여, 냉각(얇은 디스크) 및 뜨거운(두꺼운 디스크) 인구의 차별적 맵핑이 관측된 화학-형상 패턴—금속성 기울기, MDF 추세, 앙도 방향 변화—를 재현함으로써, 금속성이 낮은 부근 인구에 대해 고전적 구형체보다는 디스크 기원을 지지한다.

ABSTRACT

There is a long-standing debate on the origin of the metal-poor stellar populations of the Milky Way (MW) bulge, with the two leading scenarios being that these populations are either i) part of a classical metal-poor spheroid or ii) the same population as the chemically defined thick disc seen at the Solar neighbourhood. Here we test whether the latter scenario can reproduce the observed chemical properties of the MW bulge. To do so we compare an N-body simulation of a composite (thin+thick) stellar disc -- which evolves secularly to form a bar and a boxy/peanut (b/p) bulge -- to data from APOGEE DR13. This model, in which the thick disc is massive and centrally concentrated, can reproduce the morphology of the metal-rich and metal-poor stellar populations in the bulge, as well as the mean metallicity and [$α$/Fe] maps as obtained from the APOGEE data. It also reproduces the trends, in both longitude and latitude, of the bulge metallicity distribution function (MDF). Additionally, we show that the model predicts small but measurable azimuthal metallicity variations in the inner disc due to the differential mapping of the thin and thick disc in the bar. We therefore see that the chemo-morphological relations of stellar populations in the MW bulge are naturally reproduced by mapping the thin and thick discs of the inner MW into a b/p.

연구 동기 및 목표

• 은하수 부근의 금속성이 낮은 별 인구가 고전적 구형체가 아니라 화학적으로 정의된 두꺼운 디스크에서 기인할 수 있는지 테스트하는 것.
• 복합 얇은+두꺼운 디스크의 비정상적 진화가 관측된 부근의 형태 및 화학적 성질을 재현할 수 있는지 조사하는 것.
• 모의 시뮬레이션과 관측 데이터를 모두 사용하여 부근 내 화학-형상 관계, 특히 금속성 기울기와 분포 함수를 검토하는 것.
• 바의 영향으로 인해 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 성분이 비균형적으로 맵핑되면서 내부 디스크에서 앙도 방향 금속성 변화가 발생하는지 확인하는 것.
• 기민한 중심 집중 두꺼운 디스크가 부근과 내부 디스크에서 관측된 운동학적 및 화학적 추세를 설명할 수 있는지 평가하는 것

제안 방법

• 비정상적으로 진화하는 복합 성간 디스크(얇은+두꺼운 디스크)의 N-체 시뮬레이션을 수행하여 바를 형성하고 상자형/아몬드형(b/p) 부근을 생성하는 것.
• APOGEE DR13 데이터를 사용하여 시뮬레이션된 금속성 및 [α/Fe] 맵을 부근과 내부 디스크 영역의 관측 분포와 비교하는 것.
• 모의 부근 내 금속성 높은 및 낮은 인구의 형상 분석을 통해 관측된 X형 구조 및 빨간 클럽 분리 현상을 재현하는 것.
• 모의 시뮬레이션과 관측 데이터에서 경도 및 위도에 따른 금속성 분포 함수(MDF)의 추세를 측정하는 것.
• 바의 영향으로 인해 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 성분이 비균형적으로 맵핑되면서 내부 디스크에서 앙도 방향 금속성 변화가 발생하는 정도를 정량화하는 것.
• 공간적 및 운동학적 선택 함수를 적용하여 시뮬레이션된 성간 인구를 APOGEE 설문 조사 기하학 및 완전성에 맞추는 것

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비정상적으로 진화하는 복합 디스크 모델이 은하수 부근의 관측된 형태 및 화학-운동학적 구조를 재현할 수 있는가?
• RQ2 부근의 금속성 분포 함수(MDF)에서 관측된 추세—특히 경도 및 위도에 따른 것—이 디스크 기원 모델의 예측과 일치하는가?
• RQ3 위도가 높아질수록 금속성이 낮은 비율이 증가하는 부근의 수직 금속성 기울기는 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 인구의 맵핑에 의해 자연스럽게 설명될 수 있는가?
• RQ4 내부 디스크에서 관측되는 작은 그러나 측정 가능한 앙도 방향 금속성 변화(약 0.1 dex)가 바의 영향으로 인한 냉각 및 뜨거운 인구의 비균형 맵핑에 의해 재현될 수 있는가?
• RQ5 부근의 운동학적 및 화학적 구조는 금속성이 낮은 인구에 대해 고전적 구형체가 아니라 디스크 기원을 지지하는가?

주요 결과

• 기민한 중심 집중 두꺼운 디스크를 가진 N-체 시뮬레이션은 은하수 부근의 관측된 X형 형태를 성공적으로 재현한다.
• 시뮬레이션된 평균 금속성 및 [α/Fe] 맵은 부근과 내부 디스크 영역에서 APOGEE DR13 데이터와 일치한다.
• 모델은 경도 및 위도에 따른 금속성 분포 함수(MDF)의 관측된 추세를 재현하며, 양의 경도 금속성 기울기까지 포함한다.
• 시뮬레이션은 바의 영향으로 인해 얇은 디스크와 두꺼운 디스크 성분의 비균형 맵핑으로 인해 내부 디스크에서 약 0.1 dex 정도의 작은 그러나 측정 가능한 앙도 방향 금속성 변화를 예측한다.
• 모델은 부근의 수직 금속성 기울기를 설명하며, 위도가 높아질수록 금속성이 낮은 비율이 증가하는 현상은 디스크 성분의 운동학적 및 공간적 분리의 결과로 설명된다.
• 결과는 은하수 부근이 디스크 기원을 가지며, 금속성이 낮은 인구가 고전적 구형체가 아니라 화학적으로 정의된 두꺼운 디스크의 일부임을 지지한다.