[论文解读] Deep SDSS optical spectroscopy of distant halo stars II. Iron, calcium, and magnesium abundances

Emma Fernández-Alvar, Carlos Allende Prieto+12 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 58被引用 27

一句话总结

本研究利用光谱线拟合和卡方最小化法确定恒星大气参数，分析了3,944颗遥远星族II恒星的深部SDSS光学光谱，测量了铁、钙和镁的丰度。结果揭示了银河系晕中存在强烈的金属丰度梯度，随着银河系中心距离超过20 kpc，[Fe/H]、[Ca/H]和[Mg/H]均呈下降趋势，表明外晕区域金属丰度更低，可能起源于质量更小、化学演化程度更低的次结构，与分层星系形成模型一致。

ABSTRACT

We analyze a sample of 3,944 low-resolution (R ~ 2000) optical spectra from the Sloan Digital Sky Survey (SDSS), focusing on stars with effective temperatures 5800 < Teff < 6300 K, and distances from the Milky Way plane in excess of 5 kpc, and determine their abundances of Fe, Ca, and Mg. We followed the same methodology as in the previous paper in this series, deriving atmospheric parameters by chi2 minimization, but this time we obtained the abundances of individual elements by fitting their associated spectral lines. Distances were calculated from absolute magnitudes obtained by a statistical comparison of our stellar parameters with stellar-evolution models. The observations reveal a decrease in the abundances of iron, calcium, and magnesium at large distances from the Galactic center. The median abundances for the halo stars analyzed are fairly constant up to a Galactocentric distance r ~ 20 kpc, rapidly decrease between r ~ 20 and r ~ 40 kpc, and flatten out to significantly lower values at larger distances, consistent with previous studies. In addition, we examine the [Ca/Fe] and [Mg/Fe] as a function of Fe/H and Galactocentric distance. Our results show that the most distant parts of the halo show a steeper variation of the [Ca/Fe] and [Mg/Fe] with iron. We found that at the range -1.6 < [Fe/H] < -0.4 [Ca/Fe] decreases with distance, in agreement with earlier results based on local stars. However, the opposite trend is apparent for [Mg/Fe]. Our conclusion that the outer regions of the halo are more metal-poor than the inner regions, based on in situ observations of distant stars, agrees with recent results based on inferences from the kinematics of more local stars, and with predictions of recent galaxy formation simulations for galaxies similar to the Milky Way.

研究动机与目标

• 利用低分辨率光学光谱精确测定大样本遥远星族II恒星中铁、钙和镁的丰度。
• 研究银河系晕中金属丰度及α元素丰度比的径向分布，以检验分层星系形成模型。
• 探究[α/Fe]与[Fe/H]及银河系中心距离的依赖关系，以揭示晕子结构的恒星形成历史。
• 评估外晕是否主要由与内晕不同的、具有独特化学特征的吸积低质量次结构主导。
• 将观测到的丰度梯度与银河系类星系的宇宙学模拟预测进行比较。

提出的方法

• 从斯隆数字巡天（SDSS）获取3,944颗恒星的低分辨率（R ~ 2000）光学光谱，其有效温度5800 ≤ T_eff ≤ 6300 K，且|z| > 5 kpc。
• 通过匹配观测光谱与合成光谱，利用卡方最小化法确定恒星大气参数（T_eff, log g, [Fe/H]）。
• 通过合成光谱建模拟光谱线，测量铁、钙、镁的元素丰度。
• 利用推导出的恒星参数与恒星演化模型进行统计比较，估算距离以推断绝对星等。
• 在银河系中心距离（r）上绘制丰度梯度，并在不同径向区间内关联[α/Fe]与[Fe/H]。
• 对径向速度和金属丰度的系统误差进行修正，以确保丰度测定的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系晕中，铁、钙和镁的丰度如何随银河系中心距离变化？
• RQ2 是否存在与[Fe/H]相关的[α/Fe]径向梯度？其对晕的恒星形成历史有何启示？
• RQ3 外晕区域的α元素和铁丰度是否低于内晕？这对其起源有何暗示？
• RQ4 观测到的丰度趋势是否与通过低质量次结构吸积形成的分层星系组装过程一致？
• RQ5 在外晕中，[Ca/Fe]和[Mg/Fe]随[Fe/H]的变化斜率是否与内晕不同？这可能对早期星形成系统的初始质量函数意味着什么？

主要发现

• 在r ~ 20 kpc以外，[Fe/H]的中值显著下降，且在r ~ 20至40 kpc之间迅速降低，随后在更大距离处趋于平缓。
• 在-1.6 < [Fe/H] < -0.4的金属丰度范围内，[Ca/Fe]比值随银河系中心距离增加而降低，与以往局部研究结果一致。
• 相比之下，在相同金属丰度范围内，[Mg/Fe]随距离增加呈现上升趋势，表明在外晕中出现了预期行为的反转。
• 观测到的丰度梯度与银河系通过分层组装的模型一致，即内晕由更高质量的次结构形成，而外晕则由质量更小、金属丰度更低的系统形成。
• 大半径处更平缓的金属丰度分布表明，外晕主要由吸积系统主导，其恒星形成效率较低，且化学富集更早发生。
• 外晕中[α/Fe]随[Fe/H]变化的更陡峭趋势暗示初始质量函数（IMF）或恒星形成效率可能存在差异，可能更有利于最远区域的高质质量前身星。