[论文解读] Evolution of the Milky Way with radial motions of stars and gas I. The solar neighborhood and the thin and thick disk

M. Kubryk, Nikos Prantzos+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 139被引用 78

一句话总结

本研究通过引入恒星和气体的径向迁移，结合更新的恒星产物和SNIa爆发率的精细化化学演化框架，模拟了银河系的化学与结构演化。结果表明，径向迁移能定量再现关键的本地观测特征——如年龄-金属量关系的弥散度、金属量分布以及O/Fe与Fe/H的关系趋势——同时将径向气体流入速度约束在<0.5 km/s以内，并预测厚盘的标长为1.8 kpc，延伸至约11 kpc。

ABSTRACT

We study the role of radial migration of stars on the chemical evolution of the Milky Way disk. In particular, we are interested in the impact of that process on the local properties of the disk (age-metallicity relation and its dispersion, metallicity distribution, evolution of abundance ratios) and on the morphological properties of the resulting thick and thin disks.We use a model with several new or up-dated ingredients: atomic and molecular gas phases, star formation depending on molecular gas, yields from the recent homogeneous grid provided by Nomoto et al. (2013), observationally inferred SNIa rates. We describe radial migration with parametrised time- and radius-dependent diffusion coefficients, based on the analysis of a N-body+SPH simulation. We also consider parametrised radial gas flows, induced by the action of the Galactic bar. Our model reproduces well the present day values of most of the main global observables of the MW disk and bulge, and also the observed "stacked" evolution of MW-type galaxies from van Dokkum et al. (2013). The azimuthally averaged radial velocity of gas inflow is constrained to less than a few tenths of km/s. Radial migration is constrained by the observed dispersion in the age-metallicity relation. Assuming that the thick disk is the oldest (&gt;9 Gyr) part of the disk, we find that the adopted radial migration scheme can reproduce quantitatively the main local properties of the thin and thick disk. The thick disk extends up to ~11 kpc and has a scale length of 1.8 kpc, considerably shorter than the thin disk, because of the inside-out formation scheme. We also show how, in this framework, current and forthcoming spectroscopic observations can constrain the nucleosynthesis yields of massive stars for the metallicity range of 0.1 solar to 2-3 solar.

研究动机与目标

• 探究径向迁移对银河系薄盘与厚盘化学与形态演化的影响。
• 约束由银河系棒引起的径向气体流入及其对化学演化的影响。
• 检验径向迁移是否能再现本地年龄-金属量关系中的观测弥散度及O/Fe与Fe/H关系的双峰行为。
• 评估更新的恒星产物与SNIa爆发率在塑造太阳邻域观测化学特性中的作用。
• 利用当前与未来的光谱数据，对金属量范围0.1–3 Z⊙内的大质量恒星核合成产物施加约束。

提出的方法

• 采用基于N体+SPH模拟推导出的时间与半径相关参数化扩散系数来描述径向迁移。
• 引入由银河系棒驱动的参数化径向气体流动，流入速度被约束在<0.5 km/s以内。
• 采用Nomoto等人（2013）提供的均匀恒星产物网格，覆盖0–3 Z⊙范围，适用于低质量和高质​​量恒星。
• 应用基于Greggio（2005）的更新SNIa爆发率，并采用t⁻¹幂律描述晚期SNIa，其产物在金属量上进行对数插值。
• 基于分子气体含量建模恒星形成，采用Kroupa（2002）初始质量函数，并在1–100 M⊙范围内赋予Slope为x = -2.7的Salpeter型幂律。
• 通过自洽的质量守恒处理求解化学演化方程，包括同位素产物与宇宙射线散裂对Li、Be和B的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 径向迁移能否再现本地年龄-金属量关系中的观测弥散度？
• RQ2 径向迁移对太阳邻域金属量分布函数及丰度比（如O/Fe与Fe/H关系）有何影响？
• RQ3 由棒引起的径向气体流入如何影响薄盘与厚盘的化学演化与形态结构？
• RQ4 该模型在多大程度上能再现厚盘的观测标长与径向范围（如~11 kpc，1.8 kpc标长）？
• RQ5 当前与未来的光谱观测如何约束0.1–3 Z⊙范围内大质量恒星的核合成产物？

主要发现

• 该模型成功再现了MW型星系的堆叠演化轨迹及银河系盘与银心当前的全局观测特征。
• 径向迁移通过年龄-金属量关系的观测弥散度得到约束，其扩散系数源自N体模拟。
• 厚盘被预测可延伸至约11 kpc，标长为1.8 kpc，显著短于薄盘，这是由于内部形成与径向迁移的共同作用。
• 径向气体流入速度被约束在0.5 km/s以内，与观测限制及N体模拟结果一致。
• 该模型成功再现了O/Fe与Fe/H关系的双峰特征及丰度比的双分支结构，与太阳邻域观测结果相符。
• 该框架为利用未来的高分辨率光谱巡天，对0.1–3 Z⊙金属量范围内大质量恒星产物施加定量约束提供了基础。