[论文解读] Abundances of disk and bulge giants from hi-res optical spectra: I. O, Mg, Ca, and Ti in the Solar neighborhood and Kepler field samples

Henrik Jönsson, N. Ryde+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 14

一句话总结

本研究利用光谱合成法，对291颗太阳邻域巨星的O、Mg、Ca和Ti元素进行了高分辨率光谱丰度分析，其有效温度基于干涉测量法校准，表面重力基于星震学测定。结果证实，巨星能够提供与矮星相当可靠的元素丰度测量结果，从而为未来利用一致的、差分方法对银河系核球与银盘开展系统性比较研究奠定基础，且系统误差极小。

ABSTRACT

The galactic bulge is a significant part of our galaxy, but it is hard to observe, being both distant and covered by dust in the disk. Therefore there do not exist many hi-res optical spectra of bulge stars with large wavelength coverage, whose determined abundances can be compared with nearby, similarly analyzed stellar samples. We aim to determine the, for chemical evolution models, so important alpha elements of a sample of bulge giants using hi-res optical spectra with large wavelength coverage. The abundances found will be compared to similarly derived abundances from similar spectra of similar stars in the local thin and thick disks. In this first paper we focus on the Solar neighborhood reference sample. We use spectral synthesis to derive the stellar parameters as well as the elemental abundances of both the local as well as the bulge samples of giants. Special care is taken to benchmark our method of determining stellar parameters against independent measurements of effective temperatures from angular diameter measurements and surface gravities from asteroseismology. In this first paper we present the method used to determine the stellar parameters as well as the elemental abundances, evaluate them, and present the results for our local disk sample of 291 giants. When comparing our determined spectroscopic temperatures to those derived from angular diameter measurements, we reproduce these with a systematic difference of +10 K and a standard deviation of 53 K. The spectroscopic gravities are reproducing the ones determined from asteroseismology with a systematic offset of +0.10 dex and a standard deviation of 0.12 dex. When it comes to the abundance trends, our sample of local disk giants is closely following that of other works analyzing solar neighborhood dwarfs, showing that the much brighter giant stars are as good abundance probes as the often used dwarfs.

研究动机与目标

• 利用覆盖范围广泛的高分辨率光学光谱，测定银盘与核球巨星中α-元素（O、Mg、Ca、Ti）的丰度。
• 建立一种可靠且经过校准的巨星星体参数与元素丰度推导方法，以应对巨星因分子谱线污染而比矮星更复杂的问题。
• 将本地银盘巨星的丰度趋势与太阳邻域矮星的丰度趋势进行比较，验证巨星作为可靠丰度示踪工具的适用性。
• 为未来在银河系核球与本地银盘之间开展差分丰度比较研究奠定基础，最大限度减少系统性不确定度。
• 通过交叉验证光谱参数与独立测量结果（有效温度采用角直径测量，表面重力采用星震学测量），确保方法论的稳健性。

提出的方法

• 利用光谱合成法，从291颗银盘巨星的高分辨率光学光谱中推导星体参数（Teff、log g、[Fe/H]）与元素丰度。
• 星体参数通过干涉测量法获得的有效温度与星震学测定的表面重力进行校准。
• 原子谱线列表来源于Gaia-ESO谱线列表组，确保O、Mg、Ca和Ti元素的原子数据具有一致性与高质量。
• 对于Ca元素，仅使用三条Ca i线的重力敏感翼部，以提高表面重力测定的准确性。
• 采用差分方法推导丰度，通过与已校准的参考星比较，最大限度减少系统性误差。
• 分析聚焦于中等温度的K-型巨星与红巨星分支星，以减少分子谱线重叠与连续谱定义带来的复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高分辨率光谱能否对巨星实现与矮星相当可靠的α-元素丰度测量（O、Mg、Ca、Ti）？
• RQ2 当通过干涉测量与星震学测量交叉验证时，光谱法测定的星体参数（Teff、log g）精度如何？
• RQ3 本地银盘巨星的丰度趋势是否与太阳邻域矮星观测到的趋势一致，从而验证巨星作为有效丰度示踪工具的可靠性？
• RQ4 巨星大气中分子谱线在多大程度上影响丰度测定结果？可通过何种方法缓解此影响？
• RQ5 在本研究建立的方法基准下，能否可靠地对核球与本地银盘之间开展差分丰度分析？

主要发现

• 光谱法测定的有效温度与干涉测量结果一致，系统性偏差为+10 K，标准差为53 K。
• 光谱法测定的表面重力与星震学结果一致，系统性偏差为+0.10 dex，标准差为0.12 dex。
• 本地银盘巨星的丰度趋势与太阳邻域矮星的丰度趋势高度一致，证实巨星在化学丰度研究中与矮星具有同等可靠性。
• 通过聚焦于中等温度的K-型巨星与红巨星分支星，该方法成功缓解了分子谱线重叠带来的系统性误差。
• 采用一致且经过校准的方法，使未来在银河系核球与本地银盘之间开展高置信度的差分丰度比较成为可能。
• 本研究建立了一个稳健、可重复的高精度巨星元素丰度分析框架，对理解银河系化学演化具有重要意义。