[论文解读] Reviving old controversies: is the early Galaxy flat or round? Investigations into the early phases of the Milky Way formation through stellar kinematics and chemical abundances

P. Di Matteo, M. Spite+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 86被引用 11

一句话总结

本研究通过分析来自欧洲南方天文台（ESO）'第一代恒星'调查的超低金属丰度恒星的恒星运动学与化学丰度，并结合盖亚DR2数据，探讨了银河系早期形成的机制。研究发现，银河系厚盘从[Fe/H] ≈ −0.5连续延伸至[Fe/H] ≈ −6，形成一个'超低金属丰度厚盘'，表明银河系早期经历了快速、耗散性的坍缩过程，挑战了早期银河系呈球状的理论。

ABSTRACT

We analyse a set of very metal-poor stars for which accurate chemical abundances have been obtained as part of the ESO Large Program "First stars" in the light of the Gaia DR2 data. The kinematics and orbital properties of the stars in the sample show they probably belong to the thick disc, partially heated to halo kinematics, and to the accreted Nissen & Schuster-Gaia Sausage-Enceladus satellite. The continuity of these properties with stars at both higher ($ m [Fe/H]>-2$) and lower metallicities ($ m [Fe/H]

研究动机与目标

• 解决长期存在的争议：即银河系早期形成时是扁平（盘状）还是球状（晕状）。
• 确定太阳邻域中最金属贫乏恒星（[Fe/H] < -4）的起源及其运动学特性。
• 检验银河系厚盘是否延伸至超低金属丰度区域，形成从[Fe/H] ≈ -0.5至[Fe/H] ≈ -6的连续恒星种群。
• 评估盖亚-土星（Gaia Sausage-Enceladus, GSE）并合事件及原位盘加热在塑造贫金属恒星运动学特性中的作用。
• 评估观测到的运动学与化学模式是否支持零金属丰度下的普遍初始质量函数（IMF）

提出的方法

• 结合欧洲南方天文台（ESO）'第一代恒星'大型计划的高分辨率光谱数据，精确测量102颗极低金属丰度恒星的化学丰度（[X/Fe]，[Fe/H]）。
• 整合盖亚DR2的天体测量数据（位置、自行、视差），计算6维相空间轨道及运动学特性。
• 根据轨道能量、偏心率和角动量，将恒星分类为：原位厚盘、加热盘和并合的GSE恒星等运动学族群。
• 追踪从[Fe/H] ≈ -6至[Fe/H] ≈ -0.5的金属丰度范围内，运动学与化学特性的连续性，以识别族群的连续性。
• 将超低金属丰度恒星的运动学与化学行为与较高金属丰度样本（如Nissen & Schuster 2010，Di Matteo et al. 2018）进行比较，以追踪演化序列。
• 利用轨道积分与动力学分类方法，区分原位盘恒星与并合晕成分，尤其在低金属丰度区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳邻域中最金属贫乏的恒星（[Fe/H] < -4）是否表现出盘状运动学特性，表明早期银河系为扁平结构？
• RQ2 标准厚盘（[Fe/H] ≈ -0.5）与超低金属丰度恒星（[Fe/H] < -4）之间是否存在连续的运动学与化学联系？
• RQ3 盖亚-土星（GSE）并合事件与原位盘加热在解释贫金属恒星运动学特性方面的作用有多大？
• RQ4 超低金属丰度恒星中观测到的化学丰度模式（如[α/Fe]，[Ba/Fe]）能否与零金属丰度下的普遍初始质量函数（IMF）相容？
• RQ5 在[Fe/H] < -0.5的金属丰度下，原位盘是否为银河系中占主导地位或唯一的恒星种群，从而暗示快速耗散性坍缩过程？

主要发现

• 超低金属丰度恒星（[Fe/H] < -4）的运动学与轨道特性表明，它们主要属于厚盘，而非晕，其盘状运动学特性可延伸至[Fe/H] ≈ -6。
• 存在一个'超低金属丰度厚盘'，其从[Fe/H] ≈ -0.5至[Fe/H] ≈ -6形成连续恒星种群，表明厚盘延伸至最金属贫乏的区域。
• 在[Fe/H] ≲ -0.5的金属丰度下，原位厚盘是主导种群，且在太阳邻域未发现显著的球状晕成分。
• 盖亚-土星（GSE）并合事件显著贡献于贫金属晕恒星，但在低金属丰度下，盘成分仍占主导地位。
• 从[Fe/H] ≈ -6至[Fe/H] ≈ -0.5的运动学与化学特性连续性，支持早期盘的快速耗散性坍缩，无需经历漫长或球状形成阶段。
• 超低金属丰度恒星中观测到的丰度模式与普遍初始质量函数（IMF）一致，挑战了零金属丰度下初始质量函数呈顶部加权（top-heavy）的预测。