[论文解读] Dead man tells tales: metallicity distribution of the Milky Way stellar halo reveals the past of the GSE progenitor galaxy

Sergey Khoperskov, Ivan Minchev+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2023

Astronomy and Astrophysical ResearchPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究利用APOGEE DR17数据和N体模拟，表明盖亚-沙苏-恩赛拉杜斯（GSE）前体星系具有约−0.1 dex/kpc的径向金属丰度梯度，该结果由银河系晕中GSE碎片观测到的−0.014 dex/kpc梯度推断得出。该发现揭示了被俘获恒星中保存的化学结构，为GSE在吸积前的性质提供了见解，并验证了化学标记法在重建星系并合历史中的有效性。

ABSTRACT

The Gaia-Sausage-Enceladus~(GSE) stands out as the largest known ancient accretion event in the Milky Way~(MW) history. Despite this significance, the parameters of its progenitor galaxy are still poorly constrained. We identify GSE stars from the APOGEE DR17 using Gaussian mixture models and recover a negative radial metallicity gradient for the GSE debris within the MW stellar halo, with a magnitude of $\approx -0.014^{-0.002}_{-0.022}$ dex/kpc. We argue that this gradient reflects the radial metallicity gradient of the GSE galaxy progenitor before it was disrupted by the MW. By investigating the cosmological HESTIA simulations and $N$-body models of galaxy mergers, we constrain the radial metallicity gradient of the GSE-progenitor to be $\approx -0.1^{-0.06}_{-0.15}$ dex/kpc. We, therefore, propose that a chemical tagging of accreted stars using their integrals of motion, although they are not conserved during mergers, provide essential information about the structure and the past of systems accreted onto the MW.

研究动机与目标

• 约束盖亚-沙苏-恩赛拉杜斯（GSE）前体星系的径向金属丰度梯度，尽管其在银河系形成中的重要性已广为人知，但其性质仍不甚明了。
• 确定银河系恒星晕中GSE碎片观测到的金属丰度梯度是否反映了GSE前体在破坏前的原始化学结构。
• 检验假设：尽管运动积分在并合过程中不守恒，但通过化学标记仍可保留关于前体星系内部结构的信息。
• 利用宇宙学HESTIA模拟和N体并合模型，标定前体星系的本征金属丰度梯度与晕中碎片梯度之间的关系。
• 通过将观测到的化学模式与前吸积性质关联，增进对像GSE这样的大质量、古老矮星系形成与演化过程的理解。

提出的方法

• 利用高斯混合模型从APOGEE DR17中识别出GSE恒星，以在相空间中分离运动学上不同的星族。
• 通过观测到的[Fe/H]与银河系中心距离，测量银河系恒星晕中GSE碎片的径向金属丰度梯度，得出∇R[Fe/H] ≈ −0.014−0.022+0.002 dex/kpc。
• 开展1,000次N体并合模拟，建立前体星系径向金属丰度梯度与晕中碎片梯度之间的统计关系。
• 利用自洽的HESTIA宇宙学模拟对N体模拟结果进行验证，确保在不同建模框架下结果的稳健性。
• 利用校准后的关系推断GSE前体星系的本征径向金属丰度梯度，约束为≈−0.1−0.15+0.06 dex/kpc。
• 通过轨道积分实施化学标记，尽管并合过程中运动不守恒，仍成功重建了前体星系的化学结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 盖亚-沙苏-恩赛拉杜斯（GSE）前体星系在并入银河系之前，其径向金属丰度梯度是多少？
• RQ2 银河系恒星晕中观测到的GSE碎片金属丰度梯度，能否用于推断GSE前体星系的原始化学结构？
• RQ3 在并合过程中运动积分不守恒的情况下，被俘获恒星中的运动积分在多大程度上仍能保留关于前体星系内部化学梯度的信息？
• RQ4 模拟并合结果与观测到的碎片梯度相比如何？它们是否可用于标定前体星系与碎片金属丰度梯度之间的关系？
• RQ5 推断出的GSE前体星系金属丰度梯度与现今矮星系的梯度相比如何？这对理解其形成与演化意味着什么？

主要发现

• 银河系恒星晕中的GSE碎片表现出约∇R[Fe/H] ≈ −0.014−0.022+0.002 dex/kpc的径向金属丰度梯度，表明金属丰度随银心距离增加而略有降低。
• 利用N体模拟和HESTIA宇宙学模型，将GSE前体星系的径向金属丰度梯度约束为≈−0.1−0.15+0.06 dex/kpc。
• 推断出的梯度与具有古老恒星种群的邻近矮星系中观测到的梯度一致，表明尽管质量不同，其化学演化模式相似。
• 本研究证明，尽管并合过程中轨道积分不守恒，但通过化学标记仍可成功恢复前体星系的内部化学结构。
• 结果表明，像GSE这样的大质量、古老矮星系很可能具有与现今矮星系相似的径向金属丰度梯度，但质量显著更高，暗示其演化路径存在差异。
• 本研究建立了一种可靠方法，可利用化学与运动学数据推断被俘获星系的吸积前性质，从而增强银河系考古学研究。