[논문 리뷰] The distribution of [$\alpha$/Fe] in the Milky Way disc

Fiorenzo Vincenzo, David H. Weinberg외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 12.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 APOGEE DR16 적색거성 별을 이용하여 은하수 디스크에서 [$\alpha$/Fe]의 본질적 분포를 선택 효과를 고려하여 모델링한다. 저[Fe/H] 영역에서 이중성[$\alpha$/Fe] 분포를 발견하였으며, 낮은 및 높은-$\alpha$ 인구가 최소값으로 분리되어 있으며, 양쪽 모두에서 상당한 본질적 산란(~0.04 dex)을 보이며, 화학적 진화 모델에 대한 기준을 제공한다.

ABSTRACT

Using a sample of red giant stars from the Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) Data Release 16, we infer the conditional distribution $p([\alpha/ ext{Fe}]\,|\,[ ext{Fe/H}])$ in the Milky Way disk for the $\alpha$-elements Mg, O, Si, S, and Ca. In each bin of [Fe/H] and Galactocentric radius $R$, we model $p([\alpha/ ext{Fe}])$ as a sum of two Gaussians, representing "low-$\alpha$" and "high-$\alpha$" populations with scale heights $z_1=0.45\, ext{kpc}$ and $z_2=0.95\, ext{kpc}$, respectively. By accounting for age-dependent and $z$-dependent selection effects in APOGEE, we infer the [$\alpha$/Fe] distributions that would be found for a fair sample of long-lived stars covering all $z$. Near the Solar circle, this distribution is bimodal at sub-solar [Fe/H], with the low-$\alpha$ and high-$\alpha$ peaks clearly separated by a minimum at intermediate [$\alpha$/Fe]. In agreement with previous results, we find that the high-$\alpha$ population is more prominent at smaller $R$, lower [Fe/H], and larger $|z|$, and that the sequence separation is smaller for Si and Ca than for Mg, O, and S. We find significant intrinsic scatter in [$\alpha$/Fe] at fixed [Fe/H] for both the low-$\alpha$ and high-$\alpha$ populations, typically $\sim 0.04$-dex. The means, dispersions, and relative amplitudes of this two-Gaussian description, and the dependence of these parameters on $R$, [Fe/H], and $\alpha$-element, provide a quantitative target for chemical evolution models and a test for hydrodynamic simulations of disk galaxy formation. We argue that explaining the observed bimodality will probably require one or more sharp transitions in the disk's gas accretion, star formation, or outflow history in addition to radial mixing of stellar populations.

연구 동기 및 목표

• APOGEE 적색거성 별에서 유도된 은하수 디스크의 선택 효과 보정된 본질적 [$\alpha$/Fe] 분포를 추론하기 위해.
• 저[Fe/H]에서의 [$\alpha$/Fe] 이중성 특성을 규명하고, 은핵거리 R과 금속성 [Fe/H]에 대한 의존성을 정량화하기 위해.
• 관측 오차에 영향을 받지 않는 방식으로 낮은 및 높은-$\alpha$ 인구의 [$\alpha$/Fe] 본질적 산란을 측정하기 위해.
• 화학적 진화 모델과 디스크 은하 형성의 유체역학 시뮬레이션을 위한 정량적이고 공간적으로 분해된 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• 낮은 및 높은-$\alpha$ 인구를 나타내기 위해 두 개의 정규분포 합을 사용하여 [Fe/H] 및 은핵거리 R의 구간에서 조건부 분포 $p([\alpha/Fe] \mid [Fe/H])$를 모델링하기 위해.
• 수직 구조를 고려하기 위해 두 성분에 대해 각각 $z_1 = 0.45$ kpc 및 $z_2 = 0.95$ kpc의 고도 스케일을 사용하기 위해.
• APOGEE의 선택 함수를 역으로 변환하여 연령 및 고도에 따라 달라지는 선택 효과를 보정하기 위해.
• 베이지안 피팅 절차를 적용하여 두 정규분포의 본질적 평균 $\mu_1$, $\mu_2$, 분산 $\sigma_1$, $\sigma_2$, 상대적 진폭 $R_{21}$을 추론하기 위해.
• APOGEE-DR16의 금속성 오차를 사용하여 관측 산란을 제곱합으로 빼내어 본질적 산란만 분리하기 위해.
• 이중성 및 산란의 원소 특이성을 평가하기 위해 Mg, O, Si, S, Ca의 다섯 가지 $\alpha$-원소를 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저[Fe/H]에서 관측된 [$\alpha$/Fe]의 이중성은 본질적인가, 아니면 APOGEE의 선택 효과로 인한 산란인가?
• RQ2 낮은 및 높은-$\alpha$ 인구의 상대적 두드러짐은 은핵거리 R과 [Fe/H]에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 고정된 [Fe/H]에서 각 인구의 [$\alpha$/Fe] 본질적 산란은 무엇이며, 디스크 전역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ4 Mg, O, Si, S, Ca 간의 [$\alpha$/Fe] 분포는 어떻게 다름으로써, 핵합성 및 물질 축적 역사를 어떻게 암시하는가?
• RQ5 관측된 이중성 [$\alpha$/Fe] 분포와 그 공간적 변화를 설명하기 위해 필요한 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 태양의 원궤도 근처에서는 저금속성 [Fe/H] 영역에서 [$\alpha$/Fe] 분포가 이중성이며, 낮은 및 높은-$\alpha$ 피크를 명확히 분리하는 최소값이 존재한다.
• 높은-$\alpha$ 인구는 더 작은 R, 더 낮은 [Fe/H], 더 큰 |z|에서 더 두드러지며, 두꺼운 디스크 기원과 일치한다.
• Si와 Ca에서 시퀀스 간격이 가장 작고, Mg, O, S에서 가장 크며, 이는 원소에 따라 다른 물질 축적 또는 혼합을 시사한다.
• 고정된 [Fe/H]에서 [$\alpha$/Fe]의 본질적 산란은 상당히 크며, 낮은 및 높은-$\alpha$ 인구 모두에서 일반적으로 약 ~0.04 dex의 값을 가진다.
• 이중 정규분포 모델의 파rameter—평균, 분산, 상대적 진폭—은 R, [Fe/H], $\alpha$-원소에 따라 체계적으로 변화하며, 화학적 진화 모델의 정량적 목표로 작용한다.
• 이중성의 원인을 설명하기 위해서는 기름기 있는 가스 유입, 항성 형성, 또는 외부 유출 역사에서의 급격한 전환 외에도, 반경 방향 혼합이 필요할 것이다.