[论文解读] MOONS Surveys of the Milky Way and its Satellites

O. A. González, A. Mucciarelli+38 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 13

一句话总结

本论文介绍了MOONS（多目标双波段近红外与光学摄谱仪）调查，针对银河系及其卫星，利用甚大望远镜（VLT）8米望远镜对近红外波段（0.6–1.8 µm）内多达1,000颗恒星同时获取高分辨率、高信噪比的光谱。该调查旨在克服尘埃消光限制，实现对数百万颗恒星的精确径向速度、金属丰度和元素丰度测量，从而首次构建银河系银心、内盘及附近卫星星系（特别是大、小麦哲伦星云和人马座矮球状星系）的综合化学动力学图谱。

ABSTRACT

The study of resolved stellar populations in the Milky Way and other Local Group galaxies can provide us with a fossil record of their chemo-dynamical and star-formation histories over timescales of many billions of years. In the galactic components and stellar systems of the Milky Way and its satellites, individual stars can be resolved. Therefore, they represent a unique laboratory in which to investigate the details of the processes behind the formation and evolution of the disc and dwarf/irregular galaxies. MOONS at the VLT represents a unique combination of an efficient infrared multi-object spectrograph and a large-aperture 8-m-class telescope which will sample the cool stellar populations of the dense central regions of the Milky Way and its satellites, delivering accurate radial velocities, metallicities, and other chemical abundances for several millions of stars over its lifetime (see Cirasuolo et al., this issue). MOONS will observe up to 1000 targets across a 25-arcminute field of view in the optical and near-infrared (0.6-1.8 micron) simultaneously. A high-resolution (R~19700) setting in the H band has been designed for the accurate determination of stellar abundances such as alpha, light, iron-peak and neutron-capture elements.

研究动机与目标

• 克服现有光谱调查在观测银河系及其卫星致密、高消光中心区域时的局限性。
• 利用高分辨率红外光谱，生成银河系银心、内盘及附近矮星系的均匀、大尺度化学动力学图谱。
• 通过精确测量恒星参数与元素丰度，研究银河系内区（包括银心、球状星团和年轻嵌入星团）的形成与演化历史。
• 研究大、小麦哲伦星云及人马座矮球状星系的运动学与化学特性，尤其关注先前调查中采样稀疏且消光严重的区域。
• 利用MOONS数据锚定新的天体测量星表，以改善目标选择，并在如巴德窗口和核银心等密集区域实现星族去污染。

提出的方法

• 利用甚大望远镜8米望远镜上的高 through-put 多目标摄谱仪MOONS，对25角分视场内最多1,000颗恒星同时进行观测。
• 采用高分辨率模式（H波段 R ~ 19,700），从近红外光谱中测量铁峰元素、α元素、轻元素及中子俘获元素的详细恒星丰度。
• 结合测光诊断与光谱诊断，以高信噪比（SNR ~ 50–100）推导恒星温度、表面重力与径向速度。
• 开展两项主要调查：红化银河系调查（70个夜晚），目标为银河系内3 kpc区域；银河系卫星调查（30个夜晚），目标为大麦哲伦云（LMC）、小麦哲伦云（SMC）及人马座矮球状星系（Sagittarius dSph）。
• 利用深空、大视场拼接图象（如LMC为5×5视场，SMC为3×3视场），覆盖中心区域、棒状结构及延伸结构，包括年轻星团与更暗弱的星族。
• 在关键区域（如巴德窗口，(l,b) = (1.25, –2.65)）利用现有天体测量数据（Gaia DR4、DECam、LSST）锚定目标选择，以实现自行去污染并改善主序拐点星的选取。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系内3 kpc区域（特别是严重红化银心与棒状区域）的详细化学动力学结构是怎样的？
• RQ2 内盘与银心区域恒星的运动学与元素丰度如何随位置与金属量变化？这些特征揭示了棒状盘星系的何种形成机制？
• RQ3 银河系银心中金属丰度偏低成分的起源及其化学演化历史为何？内球状星团在其中起到何种作用？
• RQ4 大、小麦哲伦星云及人马座矮球状星系中存在何种运动学与化学梯度？这些梯度如何反映其与银河系的过往相互作用？
• RQ5 高分辨率、高信噪比红外光谱如何提升对密集、尘埃消光严重区域中暗弱、红化及嵌入星族的表征能力？

主要发现

• MOONS调查将使银河系银心中主序拐点星的高分辨率光谱测量数量提升10倍，从而实现稳健的年龄分布测量。
• 调查将首次提供大麦哲伦云与小麦哲伦云中心区域的大型、均匀样本，涵盖径向速度、金属丰度及元素丰度（包括CNO与α元素），且H波段信噪比 > 50。
• 通过对银河平面内约50万颗恒星（包括银心、内盘及球状星团中的红巨星与红巨星）的观测，MOONS将以前所未有的深度与空间覆盖度，绘制银河系内区的化学动力学结构图谱。
• LMC调查将覆盖116个视场（中心区域5×5拼接，棒状结构17个，中心区域外更暗星族4个），实现对中心棒状结构与盘面亚结构的详细运动学与化学制图。
• SMC调查将覆盖中心区域3×3视场及东北方向延伸区域13个视场，使研究者能够调查不同亚结构中的化学与运动学梯度，包括此前采样不足、年龄超过~2 Gyr的区域。
• 调查将首次实现对星系银心中星族的逐星年龄-金属量-轨道行为研究，并首次利用来自其最密集与最外缘区域的高分辨率数据，提供人马座矮球状星系的稳健金属丰度分布。