[论文解读] Constraining the structure and formation of the Galactic bulge from a field in its outskirts. FLAMES-GIRAFFE spectra of about 400 red giants around (l,b)=(0°,-10°)

S. Uttenthaler, M. Schultheis+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 77被引用 46

一句话总结

本研究分析了在银道坐标 (l,b) = (0°,−10°) 处 401 颗红巨星的 FLAMES-GIRAFFE 光谱，以约束银河系外银晕的结构与形成。研究证实存在双峰金属丰度分布，其中富含金属的星族 ([M/H] ≈ +0.3) 与银河系棒相关，而贫金属星族 ([M/H] ≈ −0.6) 与经典银晕相关，且有强烈证据表明质量损失会优先从演化后期阶段移除富含金属的恒星。

ABSTRACT

The presence of two stellar populations in the Milky Way bulge has been reported recently. We aim at studying the abundances and kinematics of stars in the outer bulge, thereby providing additional constraints on models of its formation. Spectra of 401 red giant stars in a field at (l,b)=(0°,-10°) were obtained with FLAMES at the VLT. Stars of luminosities down to below the two bulge red clumps (RCs) are included. From these spectra we measure general metallicities, abundances of Fe and the alpha-elements, and radial velocities (RV) of the stars. These measurements as well as photometric data are compared to simulations with the Besancon and TRILEGAL models of the Galaxy. We confirm the presence of two populations among our sample stars: i) a metal-rich one at [M/H] ~+0.3, comprising about 30% of the sample, with low RV dispersion and low alpha-abundance, and ii) a metal-poor population at [M/H] ~-0.6 with high RV dispersion and high alpha-abundance. The metal-rich population could be connected to the Galactic bar. We identify this population as the carrier of the double RC feature. We do not find a significant difference in metallicity or RV between the two RCs, a small difference in metallicity being probably due to a selection effect. The RV dispersion agrees well with predictions of the Besancon Galaxy model, but the metallicity of the "thick bulge" model component should be shifted to lower metallicity by 0.2 to 0.3dex to well reproduce the observations. We present evidence that the metallicity distribution function depends on the evolutionary state of the sample stars, suggesting that enhanced mass loss preferentially removes metal-rich stars. We also confirm the decrease of α-element over-abundance with increasing metallicity.

研究动机与目标

• 研究外银河银晕中红巨星的运动学与化学丰度，以约束银晕形成模型。
• 检验银晕中观测到的双峰金属丰度分布是否稳健，并与不同的动力学组分相关联。
• 考察恒星演化与质量损失对银晕中观测到的金属丰度分布的影响。
• 评估 Besançon 与 TRILEGAL 银河系模型与观测到的运动学及丰度数据的一致性。
• 确定银晕中双红巨星分支特征是否源于不同的恒星星族，或仅为选择效应。

提出的方法

• 利用甚大望远镜（VLT）获取了在 (l,b) = (0°,−10°) 处 401 颗红巨星的中分辨率、高信噪比 FLAMES-GIRAFFE 光谱。
• 通过光谱合成与 COMARCS 模型大气网格的拟合，测量了径向速度、铁丰度 ([Fe/H]) 和 α 元素丰度 ([α/Fe])。
• 结合光度数据与径向速度测量，将恒星分类为演化序列，特别关注红巨星分支星。
• 将观测到的丰度与运动学分布与 Besançon 与 TRILEGAL 银河系模型的预测进行比较。
• 应用插值与拟合技术，从观测光谱中推导出金属丰度与丰度，校正系统性效应。
• 分析金属丰度分布与恒星演化状态的依赖关系，特别比较明亮（演化更充分）与较暗（演化程度较低）的恒星。

实验结果

研究问题

• RQ1 外银河银晕中红巨星的金属丰度分布如何？是否显示出双峰结构？
• RQ2 两个金属丰度星族的运动学与丰度模式有何不同？这对银晕形成意味着什么？
• RQ3 在后主序演化过程中，质量损失在多大程度上导致观测样本偏向贫金属恒星？
• RQ4 Besançon 与 TRILEGAL 银河系模型在多大程度上能再现外银晕中观测到的运动学与金属丰度？
• RQ5 银晕中的双红巨星分支特征是源于不同的恒星星族，还是选择效应？

主要发现

• 稳健确认双峰金属丰度分布，金属-rich 与金属-poor 星族之间 Δ[M/H] = 0.87 ± 0.03 dex，其中金属-rich 星族 ([M/H] ≈ +0.3)，金属-poor 星族 ([M/H] ≈ −0.6)。
• 金属-rich 星族具有较低的速度弥散度（σ ≈ 30 km s⁻¹）与较低的 [α/Fe]，与棒起源一致；而金属-poor 星族具有较高的速度弥散度（σ ≈ 90 km s⁻¹）与较高的 [α/Fe]。
• 金属-rich 星族约占样本的 30%，并被确认为双红巨星分支特征的来源。
• 金属丰度分布函数依赖于恒星的演化状态，较明亮（演化更充分）的巨星中金属-rich 恒星更少，表明质量损失优先将它们从高级演化阶段移除。
• 金属-poor 星族的速度弥散度与 Besançon 模型一致，但该模型的“厚银晕”组分需将平均金属丰度下调 0.2–0.3 dex 才能与观测匹配。
• TRILEGAL 模型高估了银晕的平均金属丰度，未能再现观测到的贫金属尾部；而经过金属丰度校正后的 Besançon 模型更新组分后，能良好拟合观测数据。