[논문 리뷰] The inner two degrees of the Milky Way. Evidence of a chemical difference between the Galactic Center and the surrounding inner bulge stellar populations

M. Schultheis, R. Michael Rich외 5명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2019. 06. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 81인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 은하 중심에서 2도 이내의 적외선 스펙트로스코픽 데이터를 분석하여, 은하 중심의 금속성 높은 별 비율(약 80%)이 주변 내부 부울지대(50–60%)보다 뚜렷하게 높으며, 평균 금속성은 +0.2 dex임을 규명하였다. 이러한 결과는 핵성운의 화학 조성이 다름을 시사하며, 기존 부울지대와는 화학적으로 및 천체역학적으로 별개의 별 시스템임을 뒷받침한다. 이는 고도로 풍부한 환경에서 빠르게 형성된 현지 별 형성에 의해 핵성운이 생성되었음을 시사한다.

ABSTRACT

Although there have been numerous studies of chemical abundances in the Galactic bulge, the central two degrees have been relatively unexplored due to the heavy and variable interstellar extinction, extreme stellar crowding, and the presence of complex foreground disk stellar populations. In this paper we discuss the metallicity distribution function, vertical and radial gradients and chemical abundances of $α$-elements in the inner two degrees of the Milky Way, as obtained by recent IR spectroscopic surveys. We use a compilation of recent measurements of metallicities and $α$-element abundances derived from medium-high resolution spectroscopy. We compare these metallicities with low-resolution studies. Defining "metal-rich" as stars with $ m [Fe/H]>0$, and "metal-poor" as stars with $ m [Fe/H]<0$, we find compelling evidence for a higher fraction ($\sim 80\%$) of metal-rich stars in the Galactic Center (GC) compared to the values (50-60\%) measured in the low latitude fields within the innermost 600 pc. The high fraction of metal-rich stars in the GC region implies a very high mean metallicity of +0.2 dex, while in the inner 600 pc of the bulge the mean metallicity is rather homogenous around the solar value. A vertical metallicity gradient of -0.27 dex/kpc in the inner 600 pc is only measured if the GC is included, otherwise the distribution is about flat and consistent with no vertical gradient. In addition to its high stellar density, the Galactic center/nuclear star cluster is also extreme in hosting high stellar abundances, compared to the surrounding inner bulge stellar populations; this has implications for formation scenarios and strengthens the case for the NSC being a distinct stellar system.

연구 동기 및 목표

• 고도의 흡수와 밀도 높은 별로 인해 옵티컬 연구가 제한되는 은하 중심에서 내부 2도 이내의 금속성 분포 및 화학 농도 기울기를 조사하기 위해.
• 은하 중심이 주변 내부 부울지대와 비교해 다른 화학적 성질을 지닌 별 집단을 포함하고 있는지 확인하기 위해.
• 핵성운(NSC)의 형성력사 및 초거대 브라운홀 Sgr A*와의 공진화에 대해 관측된 화학적 차이가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 현재의 화학 진화 모델이 내부 2도 이내에서 관측된 금속성 분포 및 기울기를 재현할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 최근의 조사, 특히 APOGEE와 Keck/NIRSPEC를 포함한 중해상 및 고해상도 적외선 스펙트로스코픽 측정치를 종합하여 별의 금속성 및 α원소 농도를 분석하였다.
• 특히 냉각 거대별에 효과적인 근적외선(H- 및 K-대역) 스펙트로스코피를 사용하여 고도의 간섭 흡수를 극복하였다.
• 은하 중심(GC)과 내부 600 pc 이내의 저위도 영역 간의 금속성 분포 함수(MDF)를 비교하였다.
• 별의 시야 거리와 은하좌표를 이용하여 수직 및 경사 금속성 기울기를 계산하였으며, 전경 디스크 오염을 신중히 배제하였다.
• 다양한 영역에서 금속성 높은([Fe/H] > 0) 및 금속성 낮은([Fe/H] < 0) 별의 비율을 정량화하기 위해 통계 분석을 적용하였다.
• 기존의 화학 진화 모델(Grieco et al. 2015; Fragkoudi et al. 2018)을 비교 분석하였지만, 이는 내부 2도 이내에서는 제한적이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하 중심과 주변 내부 부울지대의 별 집단 간에 유의미한 화학적 차이가 존재하는가?
• RQ2 내부 2도 이내의 별, 특히 핵성운에서의 금속성 분포 함수는 어떻게 되는가?
• RQ3 은하 중심 영역을 포함할 경우 내부 부울지대의 수직 금속성 기울기가 존재하는가?
• RQ4 현재의 화학 진화 모델이 은하 중심에서 관측된 높은 금속성 피크를 재현할 수 있는가?
• RQ5 관측된 화학 농도는 핵성운의 형성 메커니즘에 대해 어떤 시사점을 제공하는가?

주요 결과

• 은하 중심은 주변 내부 부울지대(50–60%)보다 금속성 높은 별([Fe/H] > 0)의 비율이 뚜렷하게 높은 약 80%를 차지한다.
• 은하 중심의 평균 금속성은 +0.2 dex로, 부울지대 전체의 태양 금속성 수준보다 뚜렷하게 높다.
• 은하 중심을 포함할 경우 수직 금속성 기울기 -0.27 dex/kpc를 측정할 수 있으나, 이를 제외하면 분포는 평탄하며 기울기가 없음을 시사한다.
• GC 영역의 높은 금속성은 단순한 폐쇄상자 화학 진화 모델과 부합하지 않으며, 사전에 풍부한 환경에서 빠르게 형성된 현지 별 형성의 별개의 형성력사를 시사한다.
• 관측된 화학적 성질은 핵성운이 화학적으로 별개의 시스템이며, 초거대 브라운홀 존재 하에 빠르게 형성된 것으로 추론됨을 지지한다.
• 노란 별(예: RR Lyrae)의 존재와 핵성운 내 높은 금속성은 별 형성과 브라운홀 성장의 공진화를 시사하지만, '청년의 역설'은 해결되지 않은 채 남아 있다.