[论文解读] Universal properties of the high- and low-{\alpha} disk: small intrinsic abundance scatter and migrating stars

Yuxi, Melissa Ness+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2021

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本研究利用APOGEE DR16数据，分析银河系高α和低α盘中年龄-化学丰度关系，采用The Cannon方法估算恒星年龄，并通过聚类分析分离盘成分。尽管形成历史不同，两个盘的固有丰度弥散度相近（约0.04 dex），表明核合成过程具有普适性；通过空间-时间化学映射揭示了内形成和倒序形成特征，并提供了径向迁移的证据。

ABSTRACT

The detailed age-chemical abundance relations of stars measures time-dependent chemical evolution.These trends offer strong empirical constraints on nucleosynthetic processes, as well as the homogeneityof star-forming gas. Characterizing chemical abundances of stars across the Milky Way over time has been made possible very recently, thanks to surveys like Gaia, APOGEE and Kepler. Studies of the low-${\alpha}$ disk have shown that individual elements have unique age-abundance trends and the intrinsic dispersion around these relations is small. In this study, we examine and compare the age distribution of stars across both the high and low-${\alpha}$ disk and quantify the intrinsic dispersion of 16 elements around their age-abundance relations at [Fe/H] = 0 using APOGEE DR16. We find the high-${\alpha}$ disk has shallower age-abundance relations compared to the low-${\alpha}$ disk, but similar median intrinsic dispersions of ~ 0.04 dex, suggesting universal element production mechanisms for the high and low-${\alpha}$ disks, despite differences in formation history. We visualize the temporal and spatial distribution of disk stars in small chemical cells, revealing signatures of upside-down and inside-out formation. Further,the metallicity skew and the [Fe/H]-age relations - across radius indicates different initial metallicity gradients and evidence for radial migration. Our study is accompanied by an age catalogue for 64,317 stars in APOGEE derived usingThe Cannon with ~ 1.9 Gyr uncertainty across all ages (APO-CAN stars) as well as a red clump catalogue of 22,031 stars with a contamination rate of 2.7%.

研究动机与目标

• 调查在太阳金属度下，高-低α盘成分中16种元素围绕年龄-丰度关系的固有弥散度。
• 比较高-低α盘的年龄分布与化学演化模式，评估其形成历史的差异。
• 通过空间-时间化学单元映射，识别径向迁移及内形成/倒序形成的特征。
• 为未来的银河系考古研究提供高精度年龄星表（64,317颗星）与红巨星分支星表（22,031颗星）。

提出的方法

• 利用APOGEE DR16数据，精确测定[Fe/H] = 0时16种元素的[X/Fe]丰度。
• 应用The Cannon机器学习方法估算恒星年龄，全年龄范围的不确定度约为1.9 Gyr（APO-CAN星）。
• 使用聚类算法，基于[α/Fe]与[Fe/H]分布，将恒星分类为高-低α盘成分。
• 将恒星映射至相空间中的小化学单元，以可视化盘成分在时空上的演化。
• 采用统计方法量化年龄-丰度关系的固有弥散度，同时考虑观测散度的影响。
• 以2,616颗具有地震学年龄的APOKASC星表作为基准，验证结果可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高-低α盘在太阳金属度下，其年龄-化学丰度关系的固有弥散度是否相似？
• RQ2 在化学单元中的空间-时间恒星分布中，能否识别出径向迁移及内形成/倒序形成的证据？
• RQ3 尽管形成历史不同，高-低α盘中各元素的年龄-丰度趋势有何差异？
• RQ4 聚类算法与视觉分类在分离高-低α盘星族时的一致性如何？
• RQ5 The Cannon方法在整个年龄范围内估算年龄的可靠性与一致性如何？

主要发现

• 高-低α盘在[Fe/H] = 0时，围绕年龄-丰度关系的中位固有丰度弥散度几乎相同，约为0.04 dex，表明核合成过程具有普适性。
• 高α盘的年龄-丰度关系比低α盘更平缓，反映出形成 timescale 和化学增丰历史的差异。
• 在小化学单元中对恒星进行空间-时间映射，清晰揭示了内形成与倒序形成的特征：较老恒星形成于内盘，较年轻恒星形成于外盘。
• 金属度梯度与[Fe/H]-年龄关系随半径变化，表明初始金属度分布不同，并提供强径向迁移证据。
• 本研究提供了64,317颗星的高精度年龄星表与22,031颗星的红巨星分支星表，污染率仅2.7%，为未来大规模银河系考古研究提供支持。
• 基于聚类的高-低α盘分离方法优于视觉分类，高α成分的年龄-丰度关系更清晰、更分明。