[论文解读] Galactic abundance gradients from Cepheids: alpha and heavy elements in the outer disk

B. Lemasle, P. François+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2013

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 5被引用 47

一句话总结

本研究利用高分辨率光谱和精确的近红外周期-韦森海特距离，测量了65颗银河系造父变星中轻元素、α元素和重元素的径向丰度梯度。研究证实，由于谱线列表差异，外盘中Y、Nd和La的梯度较陡；在太阳半径以外区域，丰度梯度未出现平坦化趋势；支持内盘与外盘成分之间存在随时间演化的过渡区。

ABSTRACT

Context: Galactic abundance gradients set strong constraints to chemo-dynamical evolutionary models of the Milky Way. Given the PL relations that provide accurate distances and the large number of spectral lines, Cepheids are excellent tracers of the present-day abundance gradients. Aims: We want to measure the Galactic abundance gradient of several chemical elements. While the slope of the Cepheid iron gradient did not vary much from the very first studies, the gradients of the other elements are not that well constrained. In this paper we focus on the inner and outer regions of the Galactic thin disk. Methods: We use HR spectra (FEROS, ESPADONS, NARVAL) to measure the abundances of several light (Na, Al), alpha (Mg, Si, S, Ca), and heavy elements (Y, Zr, La, Ce, Nd, Eu) in a sample of 65 Milky Way Cepheids. Combining these results with accurate distances from period-Wesenheit relations in the NIR enables us to determine the abundance gradients in the Milky Way. Results: Our results are in good agreement with previous studies on either Cepheids or other tracers. In particular, we confirm an upward shift of approximatively 0.2 dex for the Mg abundances, as has recently been reported. We also confirm the existence of a gradient for all the heavy elements studied in the context of a LTE analysis. However, for Y, Nd, and especially La, we find lower abundances for Cepheids in the outer disk than reported in previous studies, leading to steeper gradients. This effect can be explained by the differences in the line lists used by different groups. Conclusions: Our data do not support a flattening of the gradients in the outer disk, in agreement with recent Cepheid studies and chemo-dynamical simulations. This is in contrast to the open cluster observations but remains compatible with a picture where the transition zone between the inner disk and the outer disk would move outward with time.

研究动机与目标

• 利用造父变星作为示踪体，测量银河系薄盘中关键元素（轻、α和重元素）的径向丰度梯度。
• 解决以往研究中关于重元素丰度梯度的不一致问题，特别是Y、Nd和La元素。
• 检验丰度梯度是否如部分疏散星团数据所建议的那样在外盘区域出现平坦化，还是如造父变星和模拟研究所示保持陡峭。
• 评估不同原子谱线列表对丰度测定的影响，特别是对稀土元素的影响。
• 为银河系化学动力学演化提供更新的约束，特别是内盘与外盘过渡区的形成时间与位置。

提出的方法

• 获取65颗造父变星在银河系盘面不同位置的高分辨率光谱（FEROS、ESPADONS、NARVAL），以测量元素丰度。
• 利用近红外周期-韦森海特（p-W）关系精确推导每颗造父变星的距离，从而实现对银河系径向距离的准确测定。
• 采用局部热动平衡（LTE）分析方法，从谱线中推导元素丰度，重点关注Na、Al、Mg、Si、S、Ca、Y、Zr、La、Ce、Nd和Eu。
• 与以往研究结果进行比较，评估一致性并识别差异，特别是重元素方面。
• 研究原子谱线列表差异对丰度测量的影响，尤其针对稀土元素。
• 使用线性回归拟合径向丰度梯度，并通过误差传播方法考虑距离和丰度不确定性的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 对于α元素和重元素，其径向丰度梯度是否在外部盘区（R > 10 kpc）保持陡峭，还是如部分疏散星团数据所建议的那样出现平坦化？
• RQ2 原子谱线列表的差异如何影响造父变星中Y、Nd和La等重元素的丰度测定结果？
• RQ3 基于造父变星的丰度梯度在多大程度上与其它示踪体（如F型星、红团星、RAVE、APOGEE）的结果一致？
• RQ4 是否存在支持内银河系盘与外银河系盘之间存在随时间演化的过渡区的证据，如梯度未出现平坦化所暗示的那样？
• RQ5 非LTE效应对Ba等重元素丰度测定有何影响，其结果与LTE结果相比如何？

主要发现

• 本研究确认镁（Mg）丰度存在约0.2 dex的上移，与Luck & Lambert（2011）的先前发现一致。
• 对于钇（Y）、钕（Nd）和特别是镧（La），外盘造父变星的丰度低于以往报告值，导致径向丰度梯度更陡。
• 这一更陡的梯度归因于先前研究中使用的原子谱线列表差异，而非丰度本身的内在变化。
• 所有研究元素（包括α和重元素）的径向梯度均与从内盘到外盘的连续下降趋势一致，外盘区域无梯度平坦化迹象。
• 结果与Luck等（2011）及Luck & Lambert（2011）的造父变星研究结果良好一致，也与Minchev等（2012）的化学动力学模拟结果一致。
• 研究结果支持一种模型：即内盘与外盘之间的过渡区随时间向外迁移，与Jacobson等（2011b）的研究结果一致。