[論文レビュー] Evolution of the Milky Way with radial motions of stars and gas I. The solar neighborhood and the thin and thick disk

M. Kubryk, Nikos Prantzos+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 139被引用数 78

ひとこと要約

本研究は、星とガスの径方向移動を組み込み、更新された星間物質の生成物とSNIaの生成率を用いた洗練された化学進化フレームワークを用いて、銀河の化学的・構造的進化をモデル化する。径方向移動が、年齢-金属量関係の分散、金属量分布、O/Fe vs. Fe/Hの傾向といった、主要な局所観測結果を定量的に再現することを示している。同時に、径方向のガス流入を <0.5 km/s 以内に制約し、スケール長が1.8 kpcで約11 kpcまで延びる厚いディスクを予測している。

ABSTRACT

We study the role of radial migration of stars on the chemical evolution of the Milky Way disk. In particular, we are interested in the impact of that process on the local properties of the disk (age-metallicity relation and its dispersion, metallicity distribution, evolution of abundance ratios) and on the morphological properties of the resulting thick and thin disks.We use a model with several new or up-dated ingredients: atomic and molecular gas phases, star formation depending on molecular gas, yields from the recent homogeneous grid provided by Nomoto et al. (2013), observationally inferred SNIa rates. We describe radial migration with parametrised time- and radius-dependent diffusion coefficients, based on the analysis of a N-body+SPH simulation. We also consider parametrised radial gas flows, induced by the action of the Galactic bar. Our model reproduces well the present day values of most of the main global observables of the MW disk and bulge, and also the observed "stacked" evolution of MW-type galaxies from van Dokkum et al. (2013). The azimuthally averaged radial velocity of gas inflow is constrained to less than a few tenths of km/s. Radial migration is constrained by the observed dispersion in the age-metallicity relation. Assuming that the thick disk is the oldest (&gt;9 Gyr) part of the disk, we find that the adopted radial migration scheme can reproduce quantitatively the main local properties of the thin and thick disk. The thick disk extends up to ~11 kpc and has a scale length of 1.8 kpc, considerably shorter than the thin disk, because of the inside-out formation scheme. We also show how, in this framework, current and forthcoming spectroscopic observations can constrain the nucleosynthesis yields of massive stars for the metallicity range of 0.1 solar to 2-3 solar.

研究の動機と目的

• 銀河の薄いディスクおよび厚いディスクの化学的・形態的進化に及ぼす径方向移動の影響を調査すること。
• 銀河のバーに起因する径方向ガス流入を制約し、それが化学的進化に与える影響を明らかにすること。
• 径方向移動が、局所の年齢-金属量関係における観測された分散およびO/Fe vs. Fe/Hの二重ピーク構造を再現できるかどうかを検証すること。
• 更新された星間物質の生成物とSNIa生成率が、太陽系近傍の観測された化学的性質をどのように形作るかを評価すること。
• 現在および将来の分光観測データを用いて、金属量範囲 0.1–3 Z⊙ における大質量星の核融合生成物を制約する手法を提供すること。

提案手法

• N-body＋SPHシミュレーションから導出された、時間的および半径依存のパラメータ化された拡散係数を、径方向移動に用いる。
• 銀河のバーに起因するパラメータ化された径方向ガスの流れを組み込み、流入速度を <0.5 km/s に制約する。
• 低質量および高質量星の両方の星間物質生成物として、Nomoto et al. (2013) の均一なグリッドを用い、0–3 Z⊙ の範囲をカバーする。
• Greggio (2005) の更新されたSNIa生成率を適用し、遅延期のSNIaに対しては t⁻¹ のべき乗則を用い、金属量に対して対数的に補間された生成物を用いる。
• 分子ガス含量に依存する星形成をモデル化し、Kroupa (2002) のIMFを用い、1–100 M⊙ 範囲でSalpeterに類似した勾配（x = -2.7）を採用する。
• 質量保存則を自己整合的に取り扱い、同位体生成物および宇宙線による破砕反応（Li, Be, Bの生成）を化学進化方程式に組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 径方向移動は、局所の年齢-金属量関係における観測された分散を再現できるか？
• RQ2 径方向移動は、太陽系近傍における金属量分布関数および元素比（例：O/Fe vs. Fe/H）にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 バーに起因する径方向ガス流入は、薄いディスクおよび厚いディスクの化学的進化および形態的構造にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 モデルは、厚いディスクのスケール長（例：約11 kpc、1.8 kpcのスケール長）および径方向拡が実際に観測される範囲をどの程度再現できるか？
• RQ5 現在および将来の分光観測は、0.1–3 Z⊙ の金属量範囲における大質量星の核融合生成物をどの程度制約できるか？

主な発見

• モデルは、MW型銀河の堆積的進化および現在の銀河のディスクおよびバルジのグローバルな観測結果を成功裏に再現している。
• 径方向移動は、観測された年齢-金属量関係の分散によって制約され、N-bodyシミュレーションから導出された径方向拡散係数が得られている。
• 厚いディスクは、内部から形成される性質と径方向移動の両方の影響により、スケール長1.8 kpcで約11 kpcまで延びると予測されている。これは薄いディスクよりも顕著に短い。
• 径方向ガス流入は0.5 km/s未満に制限されており、観測的限界およびN-bodyシミュレーションと整合的である。
• モデルは、O/Fe vs. Fe/Hの二重ピーク構造および元素比の二重分岐構造を再現しており、太陽系近傍の観測結果と一致している。
• このフレームワークは、将来の高分解能分光観測調査を用いて、0.1–3 Z⊙ の金属量範囲における大質量星の生成物を定量的に制約する基盤を提供する。