[论文解读] Chemodynamical evolution of the Milky Way disk II: Variations with Galactic radius and height above the disk plane

Ivan Minchev, C. Chiappini+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 22, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 76被引用 131

一句话总结

本研究采用混合模拟-化学演化方法，模拟了银河系盘在不同银河系半径和盘面高度处的化学动力学演化。结果表明，径向迁移在塑造恒星金属丰度和[Mg/Fe]分布方面占据主导地位，而非动力学加热；这导致在较大半径处年龄-金属丰度关系趋于平坦，并且随着远离盘面高度的增加，金属丰度和[Mg/Fe]的径向梯度发生反转，其成因是恒星年龄依赖的分布特征与盘面展宽（flaring）效应。

ABSTRACT

[Abridge] In the first paper of this series (paper I) we presented a new approach for studying the chemo-odynamical evolution in disk galaxies, focusing on the Milky Way. Here we extend these results to different distances from the Galactic center, looking for variations of observables that can be related to on-going and future spectroscopic surveys. By separating the effects of kinematic heating and radial migration, we show that migration is much more important, even for the oldest and hottest stellar population. The distributions of stellar birth guiding radii and final guiding radii (signifying contamination from migration and heating, respectively) widen with increasing distance from the Galactic center. As a result, the slope in the age-metallicity relation flattens significantly at Galactic radii larger than solar. The radial metallicity and [Mg/Fe] gradients in our model show significant variations with height above the plane due to changes in the mixture of stellar ages. An inversion in the radial metallicity gradient is found from negative to weakly positive (at r<10 kpc), and from positive to negative for the [Mg/Fe] gradient, with increasing distance from the disk plane. We relate this to the combined effect of (i) the predominance of young stars close to the disk plane and old stars away from it, (ii) the more concentrated older stellar component, and (iii) the flaring of mono-age disk populations. We also investigate the effect of recycled gas flows on the mean [Fe/H] and find that in the region 4

研究动机与目标

• 研究银河系盘的化学与运动学性质如何随银河系半径和盘面高度变化。
• 区分径向迁移与动力学加热对观测到的化学-运动学关系的影响。
• 预测未来光谱巡天（如APOGEE、Gaia和4MOST）中可观测到的特征信号。
• 评估再循环气体流对盘内化学丰度梯度的影响。
• 评估内向外形成机制与径向迁移在塑造观测到的金属丰度和[Mg/Fe]分布中的作用。

提出的方法

• 将宇宙学动机的流体动力学模拟与详细的化学演化模型相结合，通过恒星的诞生位置和化学组成进行标记。
• 为每个空间单元实施时间依赖的恒星形成历史与金属丰度演化，每颗恒星粒子追踪30多种元素。
• 使用缩放后的模拟，使太阳半径恰好位于星系棒2:1外 Lindblad 共振之外，以符合银河系的观测约束。
• 通过导星半径、诞生半径和最终半径分析恒星群体，以量化迁移与加热效应。
• 应用模拟巡天选择函数，模拟观测偏差，并实现与RAVE、SEGUE、APOGEE和Gaia数据的直接对比。
• 评估[Fe/H]与[Mg/Fe]的径向梯度随盘面高度的变化，分离年龄分布与恒星群体展宽的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 径向迁移与动力学加热如何在银河系盘的不同区域差异化地影响年龄-金属丰度关系？
• RQ2 在太阳半径以外的区域，为何观测到的年龄-金属丰度关系趋于平坦？
• RQ3 为何随着远离盘面高度的增加，金属丰度与[Mg/Fe]的径向梯度发生反转？
• RQ4 再循环气体流如何影响盘内化学丰度梯度的准确性？
• RQ5 径向迁移在多大程度上掩盖了银河系盘的内向外形成历史？

主要发现

• 即使对于最老和最热的恒星群体，径向迁移在塑造化学-动力学关系方面仍占据主导地位，超过动力学加热的影响。
• 在所有半径处，金属丰度分布的峰值位于[Fe/H] ≈ -0.15 dex，金属贫乏尾部延伸至[Fe/H] ≈ -1.3 dex，而金属富集尾部随半径增加而减小。
• 在所有半径处，[Mg/Fe]分布的峰值约为0.15 dex，但随着半径增大，低值尾部消失，高值尾部在[Mg/Fe] ≈ 0.45 dex处截断。
• 在r < 10 kpc范围内，金属丰度梯度从负值反转为弱正值，而[Mg/Fe]梯度从正值反转为负值，且随高度增加而变化。
• 梯度随高度的反转源于年轻恒星靠近盘面、年老恒星分布更靠外，以及单年龄恒星群体发生展宽的共同作用。
• 在半径范围4 < r < 12 kpc内，再循环气体流引起的平均[Fe/H]误差小于0.05–0.1 dex，这是由于向内与向外流的相互抵消。