[논문 리뷰] The Milky Way's bar and bulge revealed by APOGEE DR16 and Gaia DR2

A. B. A. Queiroz, C. Chiappini외 21명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 25.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 16인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 아포지 DR16와 가이아 DR2 자료를 사용하여 은하수의 내부 영역에 있는 24,000여 개의 별을 분석하여 고-α 및 저-α 인구 간의 별 형성 억제 갭을 시사하는 [$\alpha$/Fe], [C/N], [Mn/O] 비율에서의 화학적 불연속성을 규명하였다. 연구는 바, 내부 얇은 디스크와 두꺼운 디스크, 압력 지배적 금속성 성분을 포함한 공존하는 인구를 특정하였으며, 바에 갇힌 별들이 화학적 双모드성을 유지하고 있음을 보여, 바에 의한 갇힘은 효과적이지만 화학적으로 구별되지 않는다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the inner regions of the Milky Way with a sample of unprecedented size and coverage thanks to APOGEE DR16 and {\it Gaia} DR2 data. Our inner Galactic sample has more than 24,000 stars within $|X_{ m Gal}| <5$ kpc, $|Y_{ m Gal}| <3.5$ kpc, $|Z_{ m Gal}| <1$ kpc, and we also make the analysis for a foreground-cleaned sub-sample of 7,000 stars more representative of the bulge-bar populations. The inner Galaxy shows a clear chemical discontinuity in key abundance ratios [$\alpha$/Fe], [C/N], and [Mn/O], probing different enrichment timescales, which suggests a star formation gap (quenching) between the high- and low-$\alpha$ populations. For the first time we are able to fully characterize the different populations co-existing in the innermost regions of the Galaxy via a joint analysis of the distributions of rotational velocities, metallicities, orbital parameters and chemical abundances. The chemo-kinematic analysis reveal presence of the bar; of an inner thin disk; of a thick disk, and of a broad metallicity population, with a large velocity dispersion, indicative of a pressure supported component. We find and characterize chemically and kinematically a group of counter-rotating stars, which could be the result of gas-rich merger event or just the result of clumpy star formation during the earliest phases of the early disk, which migrated into the bulge. Finally, based on the 6D information we assign stars a probability value of being on a bar orbit and find that most of the stars with large bar orbit probabilities come from the innermost 3 kpc. Even stars with high probability of belonging to the bar show the chemical bimodality in the [$\alpha$/Fe] vs. [Fe/H] diagram. This suggests bar trapping to be an efficient mechanism, explaining why stars on bar orbits do not show a significant distinct chemical abundance ratio signature.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 별 자료를 활용하여 은하수의 내부 영역의 화학-운동학적 구조를 규명하는 것.
• 운동학과 화학을 통합 분석하여 바, 내부 얇은 디스크와 두꺼운 디스크, 압력 지배적 성분과 같은 구별 가능한 별 인구를 식별하는 것.
• 역행하는 별의 기원과 초기 가스 풍부한 융합 또는 덩어리진 별 형성과의 잠재적 연관성을 조사하는 것.
• 바에 의한 갇힘의 역할이 내부 은하수의 별의 운동학적 및 화학적 분포를 어떻게 형성하는지 평가하는 것.
• 바 궤도를 도는 별이 특별한 화학 농도 패턴을 보이는지 확인하여 바에 의한 갇힘의 효율성을 시험하는 것.

제안 방법

• APOGEE DR16 스펙트로스코픽 자료와 가이아 DR2 아스트로메트릭 자료를 융합하여 |X| < 5 kpc, |Y| < 3.5 kpc, |Z| < 1 kpc 내에서 24,000여 개의 별에 대해 6차원 위상공간 정보(위치 및 속도)를 확보하였다.
• 전경 청소 절차를 적용하여 부울지-바 인구 분석을 위한 대표성 있는 7,000개의 별 서브샘플을 분리하였다.
• 금속성, [$\alpha$/Fe], [C/N], [Mn/O], 회전 속도, 궤도 파라미터, 화학 농도 비율을 통합 분석하여 별 인구를 구분하였다.
• 6차원 위상공간 자료를 활용해 각 별이 바 궤도에 있을 확률을 계산하여 바에 갇힌 별을 식별하였다.
• 다양한 운동학적 및 궤도 그룹에서 [$\alpha$/Fe] 대 [Fe/H] 그림에서 고-α 및 저-α 인구의 공존 여부를 분석하였다.
• 통계적 모델링을 통해 바에 갇힌 별이 비-바 별과 비교해 화학적으로 구별되는 특징을 보이는지 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수의 내부 영역의 화학-운동학적 특성은 무엇이며, 이를 통해 어떻게 별 인구가 구별되는가?
• RQ2 내부 은하수에 바가 존재할 경우, 바 궤도를 도는 별들 사이에 화학적으로 구별되는 인구가 존재하는가?
• RQ3 관측된 [$\alpha$/Fe], [C/N], [Mn/O] 비율의 화학적 불연속성의 원인은 무엇이며, 별 형성 역사에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 내부 은하수에서 식별된 역행하는 별 인구의 기원은 무엇인가?
• RQ5 바에 의한 갇힘은 얼마나 효율적인가? 그리고 원래의 화학적 특징을 유지하는가?

주요 결과

• [$\alpha$/Fe], [C/N], [Mn/O] 비율에서 명확한 화학적 불연속성이 내부 은하수의 고-α 및 저-α 인구 간의 별 형성 억제 갭을 시사한다.
• 내부 은하수에는 바, 내부 얇은 디스크, 두꺼운 디스크, 그리고 큰 속도 분산을 지닌 압력 지배적 금속성 성분이 공존하는 별 인구가 존재한다.
• 역행하는 별의 집단이 식별되었으며, 이는 초기 가스 풍부한 융합 또는 디스크 형성 기간 동안의 덩어리진 별 형성으로 인한 것으로 보인다.
• 고확률의 바 궤도를 도는 대부분의 별들은 내부 3 kpc 내에 위치해 있어 이 지역에서 바의 영향력이 강하다는 것을 시사한다.
• 높은 바 궤도 확률에도 불구하고 별들은 [$\alpha$/Fe] 대 [Fe/H] 그림에서 화학적 이중성(雙모드성)을 유지하고 있어, 바에 의한 갇힘이 원래의 화학적 특징을 지우지 않는다는 것을 보여준다.
• 바에 갇힌 별들 사이에서 화학적 이중성의 지속은 바에 의한 갇힘이 매우 효율적이지만, 상당한 화학 혼합을 유도하지는 않는다는 것을 시사한다.