[论文解读] The GIRAFFE Inner Bulge Survey (GIBS) III. Metallicity distributions and kinematics of 26 Galactic bulge fields

M. Zoccali, S. Vásquez+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 56被引用 66

一句话总结

本研究对银河系银心区域26个场区的约5,000颗红巨星进行了金属丰度与运动学测量，揭示出两个截然不同的星族：一个金属丰度较低、更集中于中心且呈球状分布的星族，以及一个金属丰度较高、具有类似棒状结构的盒状分布的星族。金属丰度较高的星族在向银心方向运动时表现出速度弥散度急剧上升，解释了以往巡天观测中在中心区域发现的速度弥散度峰值现象。

ABSTRACT

Several recent studies have demonstrated that the Galactic bulge hosts two components with different mean metallicities, and possibly different spatial distribution and kinematics. As a consequence, both the metallicity distribution and the radial velocity of bulge stars vary across different line of sights. We present here the metallicity distribution function of red clump stars in 26 fields spread across a wide area of the bulge, with special emphasis on fields close to Galactic plane, at latitudes b=-2 and b=-1, that were not explored before. This paper includes new metallicities from a sample of about 5000 K giant stars, observed at spectral resolution R=6500, in the Calcium II Triplet region. They are the main dataset of the GIRAFFE Inner Bulge Survey. As part of the same survey we have previously published results for a sample of about 600 K giant stars, at latitude b=-4 , derived from higher resolution spectra (R=22,500). Results. The combined sample allows us to trace and characterize the metal poor and metal rich bulge populations down to the inner bulge. We present a density map for each of the two components. Contrary to the expectations from previous works, we found the metal poor population to be more centrally concentrated than the metal rich one, and with a more axisymmetric spatial distribution. The metal rich population, on the other hand, is arranged in a boxy distribution, consistent with an edge-on bar. By coupling metallicities and radial velocities we show that the metal poor population has a velocity dispersion that varies rather mildly with latitude. On the contrary, the metal rich population has a low velocity dispersion far from the plane (b=-8.5), but it has a steeper gradient with latitude, becoming higher than the metal poor one in the innermost field (b=-1). [abridged]

研究动机与目标

• 对银河系银心区域广阔区域（包括银道面附近b = -1°和b = -2°的先前未探索区域）的红巨星进行金属丰度分布与运动学特征的表征。
• 研究银心区域中两个不同金属丰度成分（金属丰度较低与较高）的空间分布与动力学特性。
• 检验先前研究提出的假设：即内银心区域观测到的速度弥散度峰值是否由金属丰度较高的星族驱动。
• 在对称性假设下，利用相对比例与VVV巡天提供的恒星密度图，绘制两个星族的密度分布。
• 确定金属丰度较低的星族是否如先前基于RR Lyrae变星的推断一样，其自转速度比金属丰度较高的星族更慢。

提出的方法

• 利用欧洲南方天文台（ESO）位于拉西拉与帕拉纳尔的望远镜，在Ca II三重线波段对银河系银心区域26个场区的约5,000颗K型巨星获取高分辨率（R ~ 6500）光谱。
• 结合先前在b ~ -4°区域对约600颗K型巨星获取的高分辨率（R = 22,500）数据，将覆盖范围延伸至最内层银心区域。
• 通过Ca II三重线波段的谱线合成与轮廓拟合方法，推导出金属丰度（[Fe/H]）。
• 测量不同银纬下两个金属丰度成分的径向速度与速度弥散度。
• 通过将金属丰度较低与较高的恒星的相对比例与Valenti等人（2016）提供的恒星密度图相结合，假设关于银道面与银心小轴具有四重对称性，构建每个星族的投影密度图。
• 通过分析不同银纬下的运动学梯度，评估速度弥散度的演化与旋转趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 银心区域恒星的金属丰度分布与运动学特性是否在不同视线方向上存在显著差异，特别是在银道面附近？
• RQ2 金属丰度较低的星族是否比金属丰度较高的星族更集中于中心？其空间分布是球状还是轴对称？
• RQ3 金属丰度较高的星族的速度弥散度是否随向银心方向而上升？其是否能解释先前巡天观测中发现的中心区域速度弥散度峰值？
• RQ4 金属丰度较低与较高的星族是否表现出不同的自转速度，其中金属丰度较低的星族自转更慢？
• RQ5 观测到的双峰金属丰度分布是否可归因于两个具有不同形成历史与空间结构的独立星族？

主要发现

• 金属丰度较低的星族比金属丰度较高的星族更集中于中心，具有更陡的径向密度梯度，且其投影分布更接近轴对称与球状。
• 金属丰度较高的星族表现出明显的盒状、X形分布，与侧向棒状结构一致，尤其在对称性假设下的密度图中尤为显著。
• 在b = -1°处，金属丰度较低的星族占总恒星数的53%，表明其相对比例在向内银心区域显著增加，相较于外场区域。
• 金属丰度较低的星族的速度弥散度随银纬减小而轻微上升，从b = -8.5°处的约80 km/s上升至b = -1°处的约125 km/s。
• 金属丰度较高的星族的速度弥散度随银纬减小而急剧上升，从b = -8.5°处的约60 km/s上升至b = -1°处的约145 km/s，这解释了内银心区域观测到的速度弥散度峰值。
• 金属丰度较低的星族自转速度略慢于金属丰度较高的星族，但该差异在本数据集中并不具有统计显著性。