[论文解读] The COMBS Survey -- III. The Chemodynamical Origins of Metal-Poor Bulge Stars

Madeline Lucey, Keith Hawkins+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 219被引用 27

一句话总结

本研究结合了319颗银河系银心金属贫乏恒星的高分辨率VLT/GIRAFFE光谱（R ~ 20,000）与精确的运动学和动力学分析，以区分化学与动力学上不同的恒星族群。结果表明，内银心与外银心族群表现出更高的化学复杂性及更低的元素丰度相关性，相较于晕族，这表明早期银心区域具有更复杂的核合成富集历史；研究还识别出一颗可能具有对不稳定超新星特征的恒星，以及两颗具有球状星团特征Mg-Al反相关的恒星。

ABSTRACT

The characteristics of the stellar populations in the Galactic Bulge inform and constrain the Milky Way's formation and evolution. The metal-poor population is particularly important in light of cosmological simulations, which predict that some of the oldest stars in the Galaxy now reside in its center. The metal-poor bulge appears to consist of multiple stellar populations that require dynamical analyses to disentangle. In this work, we undertake a detailed chemodynamical study of the metal-poor stars in the inner Galaxy. Using R$\sim$ 20,000 VLT/GIRAFFE spectra of 319 metal-poor (-2.55 dex$\leq$[Fe/H]$\leq$0.83 dex, with $\overline{ m{[Fe/H]}}$=-0.84 dex) stars, we perform stellar parameter analysis and report 12 elemental abundances (C, Na, Mg, Al, Si, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Zn, Ba, and Ce) with precisions of $\approx$0.10 dex. Based on kinematic and spatial properties, we categorise the stars into four groups, associated with the following Galactic structures: the inner bulge, the outer bulge, the halo, and the disk. We find evidence that the inner and outer bulge population is more chemically complex (i.e., higher chemical dimensionality and less correlated abundances) than the halo population. This result suggests that the older bulge population was enriched by a larger diversity of nucleosynthetic events. We also find one inner bulge star with a [Ca/Mg] ratio consistent with theoretical pair-instability supernova yields and two stars that have chemistry consistent with globular cluster stars.

研究动机与目标

• 为了厘清银河系银心中金属贫乏恒星的化学动力学起源，这对理解银河系早期形成过程至关重要。
• 通过运动学与化学数据分离内银心/外银心、晕与银盘的贡献，以解决银心恒星族群的模糊性。
• 探究金属贫乏银心恒星是否表现出原初富集过程的特征，例如对不稳定超新星或球状星团自富集的痕迹。
• 通过比较其化学复杂性与元素丰度模式，确定银心金属贫乏族群的相对年龄与形成历史。

提出的方法

• 获取了银河系银心319颗金属贫乏恒星的高分辨率（R ~ 20,000）VLT/GIRAFFE光谱，覆盖[Fe/H]从-2.55至+0.83 dex的范围。
• 进行了详细的恒星参数分析，并以约0.10 dex的精度测量了12种元素的丰度（C, Na, Mg, Al, Si, Ca, Sc, Ti, Cr, Mn, Zn, Ba, Ce）。
• 根据轨道特性与空间分布，将恒星划分为四类运动学与空间群组：内银心、外银心、晕与银盘。
• 通过元素丰度之间的相关系数以及主成分分析，量化了化学复杂性，并评估了丰度空间的维度。
• 将观测到的丰度比（如[Ca/Mg]、[Na/Mg]）与对不稳定超新星及球状星团自富集模型的理论产额进行比较。
• 利用Gaia数据与径向速度，推导轨道特性，并评估晕族恒星对的污染影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属贫乏银心恒星的化学动力学起源是什么？它们与银河系不同组成部分有何关联？
• RQ2 金属贫乏银心恒星的化学复杂性与晕族及银盘族群相比如何？
• RQ3 是否有任何金属贫乏银心恒星表现出对不稳定超新星富集的化学特征？
• RQ4 银心是否存在化学特征与第二代球状星团恒星一致的恒星？
• RQ5 银心区域金属量依赖的丰度模式如何反映其恒星族群的相对年龄与形成历史？

主要发现

• 内银心与外银心族群的丰度相关性显著低于晕族（内银心平均相关系数为0.38，外银心为0.53），且化学维度更高；而晕族具有更高的相关系数（0.57），仅用四个主成分即可解释98.0%的方差。
• 内银心族群的化学复杂性高于外银心族群，表明其更古老，并由更多样化的核合成事件富集，与模拟预测的内区更古老、紧密束缚恒星的形成一致。
• 一颗[Fe/H] = -1.07 dex的内银心恒星表现出[Ca/Mg] = 0.83 dex的比值，与理论对不稳定超新星产额一致，但其[Al/Mg]比值偏离预期的PISN模式。
• 两颗恒星——一颗位于内银心，另一颗位于外银心——表现出第二代球状星团恒星典型的Mg-Al反相关特征，其中一颗的[Al/Mg]比值与NGC 2808相似。
• 在低金属量（[Fe/H] ≤ -1 dex）的银心族群中，Ba丰度与α-元素呈正相关，而晕族中则呈负相关，表明中子俘获过程的核合成起源不同。
• 本研究证实，晕族恒星对的污染显著影响银心的运动学与化学解释，且去除这些恒星后，速度弥散度降低，并消除了经典金属贫乏银心成分的证据。