[论文解读] Chemical evolution of the Galactic bulge as traced by microlensed dwarf and subgiant stars. II. Ages, metallicities, detailed elemental abundances, and connections to the Galactic thick disc

T. Bensby, S. Feltzing+14 more|UvA-DARE (University of Amsterdam)|Nov 26, 2009

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 72被引用 65

一句话总结

本研究通过分析银河系银心区域15颗微引力透镜矮星和亚巨星的高分辨率光谱，测定其年龄、金属丰度和元素丰度，发现其金属丰度分布与巨星一致，但存在独特的元素丰度趋势。研究发现，金属丰度低于太阳的银心星体年龄古老，化学特征与厚盘星相似；而金属丰度高于太阳的星体则表现出多样的年龄，挑战了关于银心形成机制的既有假设，表明其化学演化历史更为复杂。

ABSTRACT

The Bulge is the least understood major stellar population of the Milky Way. Most of what we know about the formation and evolution of the Bulge comes from bright giant stars. The underlying assumption that giants represent all the stars, and accurately trace the chemical evolution of a stellar population, is under debate. In particular, recent observations of a few microlensed dwarf stars give a very different picture of the evolution of the Bulge from that given by the giant stars. [ABRIDGED] We perform a detailed elemental abundance analysis of dwarf stars in the Galactic bulge, based on high-resolution spectra that were obtained while the stars were optically magnified during gravitational microlensing events. [ABRIDGED] We present detailed elemental abundances and stellar ages for six new dwarf stars in the Galactic bulge. Combining these with previous events, here re-analysed with the same methods, we study a homogeneous sample of 15 stars, which constitute the largest sample to date of microlensed dwarf stars in the Galactic bulge. We find that the stars span the full range of metallicities from [Fe/H]=-0.72 to +0.54, and an average metallicity of =-0.08+/-0.47, close to the average metallicity based on giant stars in the Bulge. Furthermore, the stars follow well-defined abundance trends, that for [Fe/H]<0 are very similar to those of the local Galactic thick disc. This suggests that the Bulge and the thick disc have had, at least partially, comparable chemical histories. At sub-solar metallicities we find the Bulge dwarf stars to have consistently old ages, while at super-solar metallicities we find a wide range of ages. Using the new age and abundance results from the microlensed dwarf stars we investigate possible formation scenarios for the Bulge.

研究动机与目标

• 解决微引力透镜矮星与银心巨星之间金属丰度分布的矛盾。
• 利用微引力透镜恒星的高分辨率光谱获得的详细元素丰度，约束银心的化学演化。
• 通过对比丰度分析，探究银河系银心与厚盘之间的联系。
• 利用微引力透镜事件确定银心恒星的年龄，实现以往仅基于巨星无法获得的年龄-金属丰度关系。
• 通过对比银心与薄盘、厚盘的丰度趋势和年龄分布，评估银心的形成历史。

提出的方法

• 利用欧洲南方天文台（ESO）望远镜，在微引力透镜事件期间获取了15颗微引力透镜矮星和亚巨星的高分辨率光谱。
• 采用与对太阳邻域702颗F型和G型矮星完全一致的方法进行全差分丰度分析，最大限度减少系统误差。
• 通过光谱合成与逐线分析，测定13种元素（O、Na、Mg、Al、Si、Ca、Ti、Cr、Fe、Ni、Zn、Y、Ba）的恒星参数（Teff、log g、[Fe/H]）和元素丰度。
• 基于获得的Teff、log g和[Fe/H]，通过等距线拟合计算恒星年龄，利用微引力透镜放大带来的独特测光与光谱数据。
• 使用一致的分析技术，将银心的丰度趋势与本地薄盘和厚盘星体的丰度趋势进行比较。
• 采用K-S检验对巴德窗（Baade’s Window）中微引力透镜矮星与巨星的金属丰度分布进行统计比较，评估差异的显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系银心区域的微引力透镜矮星是否表现出与巨星一致的金属丰度分布？
• RQ2 银心区域微引力透镜矮星的丰度趋势是否在化学上与银河系厚盘或薄盘星体相似？
• RQ3 银心区域微引力透镜矮星的年龄分布如何？其与银心形成历史有何关联？
• RQ4 银心观测到的丰度模式能否由单一形成情景解释，还是需要多种形成通道？
• RQ5 银心区域α-元素与铁峰元素的丰度比与太阳邻域盘星体相比有何异同？

主要发现

• 微引力透镜矮星的金属丰度范围为[Fe/H] = -0.72 至 +0.54，平均金属丰度⟨[Fe/H]⟩ = -0.08 ± 0.47 dex，与巴德窗中巨星样本结果高度一致。
• 微引力透镜矮星的金属丰度分布呈偏斜、不规则形状，在低金属丰度和高金属丰度区域存在过剩，K-S检验显示其与巨星金属丰度函数（MDF）匹配的概率仅为30%，表明存在显著的统计差异。
• 在亚太阳金属丰度区域，微引力透镜矮星的丰度趋势与银河系厚盘星几乎无法区分，表明二者具有共同的化学演化历史。
• 在超太阳金属丰度区域，丰度趋势更接近薄盘星体，但高金属丰度区域存在古老恒星，且在超太阳金属丰度区域发现年龄小于5 Gyr的年轻恒星，使与薄盘的简单关联变得复杂。
• 所有[Fe/H] < 0的恒星均为古老星体（≈10 Gyr），且[α/Fe]比值较高，与早期银心中由大质量超新星快速化学增丰的特征一致。
• 15颗微引力透镜恒星的平均年龄为8.4 ± 3.3 Gyr，其中三颗在超太阳金属丰度区域年龄小于5 Gyr，与哈勃空间望远镜/先进巡天相机（HST/ACS）的CMD结果相矛盾，后者未显示银心存在年轻星体成分的证据。