[논문 리뷰] The Milky Way has no in-situ halo other than the heated thick disc. Composition of the stellar halo and age-dating the last significant merger with Gaia DR2 and APOGEE

P. Di Matteo, M. Haywood외 6명|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|2018. 12. 19.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 101인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 가시은하계 DR2 천체측위 자료와 APOGEE DR14 화학성분 자료를 조합하여, 은하의 별 헬름에선 휘어진 두꺼운 디스크를 초과해 유의미한 현지에서 형성된 성분이 존재하지 않음을 보여준다. 9–11 Gyr 전에 발생한 옛날의 적재 사건이 디스크 별들을 헬름 유사 운동으로 휘게 했으며, 이로 인해 적재된 별들과 구분되지 않게 되었고, 내부 은하의 주요 헬름 성분은 별도의 현지 헬름이 아니라 금속 농도가 높은 휘어진 두꺼운 디스크 별들임을 결론 내린다.

ABSTRACT

Previous studies based on the analysis of Gaia DR2 data have revealed that accreted stars, possibly originating from a single progenitor satellite, are a significant component of the halo of our Galaxy, potentially constituting most of the halo stars at $ m [Fe/H] < -1$ within a few kpc from the Sun and beyond. In this paper, we couple astrometric data from Gaia DR2 with elemental abundances from APOGEE DR14 to characterize the kinematics and chemistry of in-situ and accreted populations up to $ m [Fe/H] \sim -2$. Accreted stars appear to significantly impact the Galactic chemo-kinematic relations, not only at $ m [Fe/H] < -1$, but also at metallicities typical of the thick and metal-poor thin discs. They constitute about 60% of all stars at $ m [Fe/H] < -1$, the remaining 40% being made of (metal-weak) thick disc stars. We find that the stellar kinematic fossil record shows the imprint left by this accretion event which heated the old Galactic disc. We are able to age-date this kinematic imprint, showing that the accretion occurred between 9 and 11 Gyr ago, and that it led to the last significant heating of the Galactic disc. An important fraction of stars with abundances typical of the (metal-rich) thick disc, and heated by this interaction, is now found in the Galactic halo. Indeed about half of the kinematically defined halo at few kpc from the Sun is composed of metal-rich thick disc stars. Moreover, we suggest that this metal-rich thick disc component dominates the stellar halo of the inner Galaxy. The new picture that emerges from this study is one where the standard non-rotating in-situ halo population, the collapsed halo, seems to be more elusive than ever.

연구 동기 및 목표

• 천체운동학과 화학 조성을 통해 현지에서 형성된 별과 적재된 별들을 구분함으로써 은하의 헬름 별들의 기원을 규명하는 것.
• 오랫동안 지속된, 적재되지 않은, 휘어지지 않은 현지 헬름 인구의 존재 여부에 대한 애매함을 해결하는 것.
• 초기 디스크에 대한 운동학적 흔적을 분석함으로써 마지막으로 중요한 적재 사건의 연대를 추정하는 것.
• 다양한 금속 농도에서 적재된 별들과 현지(휘어진) 디스크 별들의 헬름에 대한 기여도를 정량화하는 것.
• 금속 농도가 높은 두꺼운 디스크가 이제 운동학적으로 뜨거운 상태인데, 이것이 내부 헬름을 지배하는가 평가하는 것.

제안 방법

• 태양계 근처 및 그 외의 별들에 대해 Gaia DR2의 천체측위 자료와 APOGEE DR14의 고해상도 화학성분 자료를 조합한다.
• 금속 농도가 낮고 α 농도가 높은 적재된 별들과 금속 농도가 높고 금속 농도가 낮은 두꺼운 디스크 별들을 구분하기 위해 [Fe/H]–[Mg/Fe] 도표를 사용한다.
• 속도 분산과 궤도 에너지를 통한 운동학적 선택을 통해 헬름 유사 운동을 보이는 별들을 식별한다.
• 화학운동학 모델링을 통해 옛 적재 사건이 초기 디스크의 운동학적 특성에 끼친 영향을 추적한다.
• 오래된 디스크 별의 성분 비율을 이용해 화학진화 모델을 통해 가열 사건의 시기를 제약한다.
• 성분 비율의 통계적 분해를 통해 [Fe/H]–[Mg/Fe] 도표에서 각 성분의 기여 비율을 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하의 별 헬름에 휘어진 두꺼운 디스크를 초월해 유의미한 현지에서 형성된 인구가 존재하는가?
• RQ2 [Fe/H] < -1 및 금속 농도가 높은 범위에서 헬름 내 적재된 별과 현지(휘어진) 디스크 별들의 상대 비율은 얼마인가?
• RQ3 과거의 적재 사건이 남긴 운동학적 흔적을 이용해 은하 디스크의 마지막 주요 가열 시기를 추정할 수 있는가?
• RQ4 내부 은하에서 운동학적으로 정의된 헬름에 대해 금속 농도가 높은 두꺼운 디스크 별들이 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 은하에 별도의, 적재되지 않은, 휘어지지 않은 현지 헬름 인구가 존재하는가에 대한 증거가 있는가?

주요 결과

• 별 헬름에는 휘어진 두꺼운 디스크를 초월해 유의미한 현지에서 형성된 인구가 존재하지 않으며, 표준의 정적 현지 헬름은 존재하지 않거나 헬름 별의 수의 몇 퍼센트 미만일 가능성이 높다.
• [Fe/H] < -1 인 별들 중 약 60%는 적재된 별이며, 나머지 40%는 (금속 농도가 낮은) 두꺼운 디스크 별들이다.
• 태양에서 몇 kpc 떨어진 운동학적으로 정의된 헬름 별들 중 약 절반은 금속 농도가 높고 휘어진 두꺼운 디스크 별들이다.
• 디스크를 가열시킨 적재 사건은 운동학적 흔적과 화학적 제약에 기반해 9–11 Gyr 전에 발생했다.
• 휘어진 두꺼운 디스크 성분은 R = 8–10 kpc 내에서 총 별질량 약 2–5 × 10⁹ M☉을 가지며, 이는 내부 은하의 주요 헬름 성분이다.
• 이 성분은 내부 헬름을 지배하며 헬름 형성 논의에서 간과할 수 없으며, 별도의 현지 헬름의 존재를 도전한다.