[論文レビュー] Chemical evolution of the Galactic bulge as traced by microlensed dwarf and subgiant stars. V. Evidence for a wide age distribution and a complex MDF

T. Bensby, Jennifer C. Yee+21 more|CaltechAUTHORS (California Institute of Technology)|Nov 29, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 95被引用数 206

ひとこと要約

本研究では、はくちょう座銀河バルジ内の58個の微小レンズ効果を受ける矮星および準巨星の高分解能スペクトルを分析し、その化学的進化を調査した。金属量分布は[Fe/H] = −1.9から+0.6にわたり広がっており、複雑な複数成分を持つMDFを示し、年齢分布は二峰性を示す。金属量が低い星は古く（10–12 Gyr）、金属量が高い星は2から12 Gyrの広がりを示し、銀河のバー構造や複数の星族が関与する複雑な形成歴を示唆している。

ABSTRACT

Based on high-resolution spectra obtained during gravitational microlensing events we present a detailed elemental abundance analysis of 32 dwarf and subgiant stars in the Galactic bulge. [ABRIDGED], we now have 58 microlensed bulge dwarfs and subgiants that have been homogeneously analysed. The main characteristics of the sample and the findings that can be drawn are: (i) The metallicity distribution (MDF) is wide and spans all metallicities between [Fe/H]=-1.9 to +0.6; (ii) The dip in the MDF around solar metallicity that was apparent in our previous analysis of a smaller sample (26 microlensed stars) is no longer evident; instead it has a complex structure and indications of multiple components are starting to emerge. [ABRIDGED]; (iii) The stars with [Fe/H]-0.1 show a wide variety of ages, ranging from 2 to 12 Gyr with a distribution that has a dominant peak around 4-5 Gyr and a tail towards higher ages; (v) There are indications in the [alpha/Fe] - [Fe/H] that the "knee" occurs around [Fe/H] = -0.3 to -0.2, which is a slightly higher metallicity as compared to the "knee" for the local thick disk. This suggests that the chemical enrichment of the metal-poor bulge has been somewhat faster than what is observed for the local thick disk. The results from the microlensed bulge dwarf stars in combination with other findings in the literature, in particular the evidence that the bulge has cylindrical rotation, indicate that the Milky Way could be an almost pure disk galaxy. The bulge would then just be a conglomerate of the other Galactic stellar populations (thin disk, thick disk, halo, and ...?), residing together in the central parts of the Galaxy, influenced by the Galactic bar.

研究の動機と目的

• 微小レンズ効果を受ける矮星および準巨星を用いて、銀河バルジ内の星の化学的および年齢分布を特定すること。
• 従来の研究で見られた太陽付近の金属量星の不足が示唆されるが、バルジの金属量分布関数（MDF）における長年の曖昧さを解消すること。
• 大規模で均一なサンプルを用いて元素の過剰量と年齢分布を分析することで、バルジの形成歴を解明すること。
• 観測された過剰量パターンが標準的な星族モデルで説明可能かどうかを検証し、バー構造や複数の形成エピソードといった追加要因を必要とするかどうかを検討すること。
• 特に[α/Fe]–[Fe/H]傾向と「膝」の位置を比較することで、バルジの化学的進化を局所の薄いディスクおよび厚いディスクと照らし合わせること。

提案手法

• 高分解能分光測定は、マグニチュード・クレイおよびケックI望遠鏡に搭載されたMIKEおよびHIRES装置を用いて実施された。
• 星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]、[α/Fe]）は、MARCSモデル大気モデルグリッドを用いた合成スペクトルフィッティングにより導出された。
• 個々の元素過剰量（特にα元素：O、Mg、Si、Ca、Ti）の測定にはスペクトル合成技術が用いられた。
• 星の年齢は、Yonsei-Yale（Yi et al. 2001）等時曲線を用い、観測された[Fe/H]および[α/Fe]値にキャリブレーションされた。
• 金属量分布関数（MDF）は、58個の星の全サンプルから構築され、選択およびサンプリングバイアスに注意を払った。
• [α/Fe]–[Fe/H]関係の分析により、バルジの星形成時間スケールおよび化学的増幅歴が推定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河バルジにおける金属量分布関数（MDF）の真の形状は何か？ また、複数の成分を示唆する兆候はあるか？
• RQ2 異なる金属量におけるバルジ星の年齢分布は何か？ また、[Fe/H]に応じてどのように変化するか？
• RQ3 バルジにおける[α/Fe]–[Fe/H]傾向は、局所の薄いディスクおよび厚いディスクと比較してどう異なるか？ これは化学的増幅歴にどのような示唆をもたらすか？
• RQ4 観測された過剰量パターンは、標準的な星族モデルで説明可能か？ それとも、バー構造や複数の形成エピソードといった追加要因を必要とするか？
• RQ5 観測バイアス（例：微小レンズ効果サンプルにおける若年で金属量の高い星の過剰代表）が結果に及ぼす影響はどの程度か？

主な発見

• 金属量分布は[Fe/H] = −1.9から+0.6にわたり広がっており、太陽付近の金属量に明確な谷がないため、複数成分を持つ複雑な形状を示し、多成分MDFを示している。
• [Fe/H] ≤ −0.1の星は主に古く、10～12 Gyrの年齢を示し、金属量が低く初期に形成された星族と整合的である。
• 金属量が高い星（[Fe/H] ≥ −0.1）は2～12 Gyrの広い年齢分布を示し、4～5 Gyrのピークを示しており、継続的または断続的な星形成を示唆している。
• [α/Fe]–[Fe/H]傾向は[Fe/H] ≈ −0.3～−0.2で「膝」を示しており、金属量が低いバルジでは、局所の厚いディスクよりも化学的増幅が速いことを示している。
• 金属量が高いバルジ星の過剰量パターンは、局所の薄いディスクおよび厚いディスクと類似しており、バルジがバーの影響を受ける星族の集合体である可能性を支持している。
• サンプリングバイアスやヘリウム増幅モデルでは、観測された若年で金属量の高い星の割合を完全に説明できないため、バルジの形成歴に本質的な複雑性があると示唆される。