[논문 리뷰] The local star formation history of the thin disc derived from kinematic data

A. Just, H. Jahreiß|arXiv (Cornell University)|2007. 06. 26.

Stellar, planetary, and galactic studies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 히파르코스 및 근방 항성의 운동학 데이터를 사용하여 은하수의 얇은 디스크의 국소 별 형성 역사(SFH)를 유도하며, 천체역학적 평형 상태에서 수직 구조를 모델링한다. 연구는 100억 년 전에 피크를 이룬 감소하는 SFH와 거듭제곱 법칙 지수 0.375를 가진 속도 분산-나이 관계를 발견하여, 1M⊙에서의 끝점이 없는 초기 질량 함수(IMF)를 도출하였으며, 관측된 주계열 별 수와 운동학과 일치한다.

ABSTRACT

We present an evolutionary disc model for the thin disc in the solar cylinder based on a continuous star formation history and a continuous dynamical heating of the stellar subpopulations. The vertical distribution of the stellar subpopulations are calculated self-consistently in dynamical equilibrium. The SFR and AVR of the stellar subpopulations are determined by fitting the velocity distribution functions of main sequence stars. The SFR shows a maximum 10 Gyr ago declining by a factor of 10 until present time. A constant SFR can be ruled out. The velocity dispersion of the stellar subpopulations increase with age according to a power law with index 0.375. The new scale heights lead to a best fit IMF with power-law indices of 1.5 below and 4.0 above 1.6 Msun, which has no kink around 1 Msun. Including a thick disc component results in slight variations of the thin disc properties, but has a negligible influence on the SFR. A variety of predictions are made concerning the number density, age and metallicity distributions of stellar subpopulations as a function of z above the galactic plane.

연구 동기 및 목표

• 주계열 항성의 운동학 데이터를 사용하여 태양계 근처의 얇은 디스크의 국소 별 형성 역사(SFH)를 규명한다.
• 별 형성, 천체역학적 가열, 화학 진화를 고려하여 천체역학적 평형 상태에서 디스크의 수직 구조를 자기 일관성 있게 모델링한다.
• 관측된 항성 수를 기반으로 초기 질량 함수(IMF)를 유도하며, 유한한 수명과 척도 높이 변화를 보정한다.
• 모델이 관측된 표면 밀도, 질량 비율, 속도 분포 함수와 일치하는지 평가한다.
• 두꺼운 디스크 성분을 포함할 경우 유도된 SFH와 IMF에 어떤 영향을 미치는지 평가한다.

제안 방법

• 나이와 속도 분산으로 정의된 별의 하위계열을 포함하는 자기 일관성 있는 디스크 모델을 구축하며, 항성, 가스, 암흑 물질 성분을 포함한다.
• 히파르코스 및 근방 항성 목록(CNS4)의 운동학 데이터를 사용하여 주계열 항성(B~K형)의 부피 완전 샘플을 선별한다.
• 이러한 하위계열의 관측된 수직 속도 분포 함수 f(|W|)를 적합하여 별 형성률(SFR)과 나이-속도 분산 관계(AVR)를 추론한다.
• 관측된 현재 질량 함수(PDMF)를 진정된 IMF로 변환하기 위해 항성 수명과 척도 높이 변화에 대한 보정을 적용한다.
• 가스 유입을 고려한 화학 진화 모델을 사용하여 G형 주계열 항성의 [Fe/H] 분포를 재현한다.
• 예측된 관측된 속도 분포 함수 간 잔차를 최소화하기 위해 SFR과 AVR을 최적화하며, 템플릿 함수의 격자망을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양계 근처의 얇은 디스크에서 운동학 데이터와 일치하는 시간에 따라 변화하는 별 형성 역사(SFH)는 무엇인가?
• RQ2 별 집단의 속도 분산은 나이에 따라 어떻게 변화하며, 나이-속도 분산 관계(AVR)를 가장 잘 기술하는 기능 형태는 무엇인가?
• RQ3 유한한 항성 수명과 척도 높이 영향을 보정한 얇은 디스크의 본질적 초기 질량 함수(IMF)는 무엇인가?
• RQ4 유도된 SFH와 IMF는 등온선 적합 또는 군집 연구와 같은 다른 방법으로 유도된 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 두꺼운 디스크 성분을 포함할 경우 얇은 디스크의 유도된 성질에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 별 형성률(SFR)은 100억 년 전에 피크를 이뤘으며, 현재로 갈수록 50억 년의 시간 상수로 10배 감소한다.
• 나이-속도 분산 관계(AVR)는 지수 0.375의 거듭제곱 법칙을 따르며, 시간에 따라 지속적인 천체역학적 가열을 나타낸다.
• 최적의 초기 질량 함수(IMF)는 1.61M⊙ 이하에서는 지수 1.5, 1.61M⊙ 초과에서는 지수 3.95를 가지며, 1M⊙ 근처에 끝점이 없다.
• 유도된 IMF는 관측된 현재 질량 함수(PDMF)와 일치하며, 태양계 근처 A형 항성의 수 계수와도 정확히 일치한다.
• 두꺼운 디스크 성분을 포함하면 얇은 디스크 파라미터에 미미한 조정만 일어나며, SFR에 거의 영향을 주지 않는다.
• 모델은 주계열 항성의 국소 운동학, 표면 밀도, 그리고 은하수 평면 위 높이에 따른 금속성 분포를 성공적으로 재현한다.