[论文解读] Exploring the Milky Way stellar disk. A detailed elemental abundance study of 714 F and G dwarf stars in the Solar neighbourhood

T. Bensby, S. Feltzing+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 111被引用 458

一句话总结

本研究基于铁I/铁II电离与激发态平衡，对太阳邻近区714颗F型与G型矮星进行了高分辨率光谱分析，以推导恒星参数与元素丰度。结果揭示[α/Fe]呈双峰分布，表明存在两种化学性质不同的恒星族群：一个起源于银河系内区、年龄较老且α元素增强的厚盘，以及一个起源于外盘、年龄较新且α元素增强程度较低的薄盘。赫拉克勒斯流与大角星移动群等动力学特征，可能源于银河系内部过程，而非外部吸积所致。

ABSTRACT

ABRIDGED: METHODS: We have conducted a high-resolution spectroscopic study of 714 F and G dwarf and subgiant stars in the Solar neighbourhood. The star sample has been kinematically selected to trace the Galactic thin and thick disks to their extremes...... The determination of stellar parameters and elemental abundances is based on a standard 1-D LTE analysis using equivalent width measurements in high-resolution (R=40000-110000) and high signal-to-noise (S/N=150-300) spectra obtained with..... RESULTS: .... Our data show that there is an old and alpha-enhanced disk population, and a younger and less alpha-enhanced disk population. While they overlap greatly in metallicity between -0.7

研究动机与目标

• 利用附近F型与G型矮星的大样本，绘制银河系恒星盘的年龄与丰度结构。
• 基于化学与运动学特性，区分薄盘与厚盘族群。
• 研究赫拉克勒斯流与大角星移动群等运动学亚结构的起源。
• 识别并校正恒星参数确定中的系统性偏差，特别是1D LTE分析中的“平坦主序综合征”。
• 利用元素丰度与轨道参数，约束银河系盘的形成历史。

提出的方法

• 利用甚大望远镜/UVES、ESO 1.5米/2.2米/FEROS、NOT/SOFIN/FIES以及麦哲伦/MIKE等望远镜获取的高分辨率（R = 40,000–110,000）与高信噪比（S/N = 150–300）光谱数据。
• 对714颗F型与G型矮星采用1D LTE分析，通过等效宽度测量法进行，对个别Fe I谱线应用非局部热动平衡（NLTE）修正。
• 通过Fe I与Fe II谱线的电离平衡与激发态平衡，推导恒星参数（Teff, log g, [Fe/H]）。
• 利用银河系势场模型与恒星位置/速度数据，计算轨道与运动学参数。
• 针对主序星，通过与Hipparcos视差比较，对表面重力（log g）实施经验校正，以解决‘平坦主序综合征’问题。
• 对13种元素（O, Na, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cr, Fe, Ni, Zn, Y, Ba）进行化学丰度分析，以追踪盘族的分化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳邻近区，薄盘与厚盘族群在化学与运动学特性上存在何种区别？
• RQ2 赫拉克勒斯流与大角星移动群是否表现出与被破坏星团或河外吸积残余物一致的化学或年龄特征？
• RQ3 标准1D LTE分析中，通过电离平衡法在低质量主序星中产生的log g系统性误差有多大？
• RQ4 恒星的轨道参数如何与[α/Fe]及金属量相关联？这些关联揭示了其在银河系盘中的形成位置信息吗？
• RQ5 观测到的[α/Fe]双峰分布是真实族群区分的体现，还是参数不确定性的产物？

主要发现

• 观测到[α/Fe]的清晰双峰分布，表现为一个年龄较老、α元素增强的厚盘族群，以及一个年龄较新、α元素增强程度较低的薄盘族群，尽管二者在[Fe/H] ≈ −0.7至+0.1之间存在金属量重叠。
• α元素增强族群的轨道参数表明其起源于银河系内区，支持厚盘具有短标长的结论；而低α元素增强的恒星主要起源于外盘。
• 赫拉克勒斯流与大角星移动群未表现出独特的化学或年龄模式，其丰度与年龄分布与厚盘高度一致，表明它们很可能是银河系内部过程形成的动力学特征，而非吸积系统。
• 标准1D LTE分析中，通过电离平衡法在低质量主序星中产生‘平坦主序’现象，该问题通过与Hipparcos视差比较进行经验校正，而演化阶段的恒星（演化转折点及之后）则不受影响。
• ‘平坦主序综合征’很可能是强制在低质量恒星中应用电离平衡的结果，该问题仅影响依赖电离/激发态平衡的研究，而不影响采用视差法确定log g的研究。
• 盘族分离的时期（约80亿年前）与早期重大并合事件的证据一致，提示厚盘形成可能与早期吸积有关，尽管厚盘本身很可能并非此类事件的残余物。