[论文解读] Stellar Migration and Chemical Enrichment in the Milky Way Disc: A Hybrid Model

James W. Johnson, David H. Weinberg+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 238被引用 78

一句话总结

本文提出了一种混合星系化学演化模型，将多环化学增益框架与来自银河系宇宙学流体动力学模拟的恒星迁移及垂直结构相结合。该模型成功再现了星盘化学结构的关键观测特征，如[O/Fe]的径向与垂直梯度、[α/Fe]的双峰分布、非单调的年龄-金属量关系以及年轻的α元素增强恒星，凸显了恒星迁移与随时间变化的恒星形成在塑造化学模式中的关键作用。

ABSTRACT

We develop a hybrid model of galactic chemical evolution that combines a multi-ring computation of chemical enrichment with a prescription for stellar migration and the vertical distribution of stellar populations informed by a cosmological hydrodynamic disc galaxy simulation. Our fiducial model adopts empirically motivated forms of the star formation law and star formation history, with a gradient in outflow mass loading tuned to reproduce the observed metallicity gradient. With this approach, the model reproduces many of the striking qualitative features of the Milky Way disc's abundance structure: (i) the dependence of the [O/Fe]-[Fe/H] distribution on radius $R_ ext{gal}$ and midplane distance $|z|$; (ii) the changing shapes of the [O/H] and [Fe/H] distributions with $R_ ext{gal}$ and $|z|$; (iii) a broad distribution of [O/Fe] at sub-solar metallicity and changes in the [O/Fe] distribution with $R_ ext{gal}$, $|z|$, and [Fe/H]; (iv) a tight correlation between [O/Fe] and stellar age for [O/Fe] $>$ 0.1; (v) a population of young and intermediate-age $\alpha$-enhanced stars caused by migration-induced variability in the Type Ia supernova rate; (vi) non-monotonic age-[O/H] and age-[Fe/H] relations, with large scatter and a median age of $\sim$4 Gyr near solar metallicity. Observationally motivated models with an enhanced star formation rate $\sim$2 Gyr ago improve agreement with the observed age-[Fe/H] and age-[O/H] relations, but worsen agreement with the observed age-[O/Fe] relation. None of our models predict an [O/Fe] distribution with the distinct bimodality seen in the observations, suggesting that more dramatic evolutionary pathways are required. All code and tables used for our models are publicly available through the Versatile Integrator for Chemical Evolution (VICE; https://pypi.org/project/vice).

研究动机与目标

• 开发一种基于物理动机的混合星系化学演化模型，整合宇宙学模拟输出与解析化学演化框架。
• 研究恒星迁移与随时间变化的恒星形成历史如何塑造银河系星盘中观测到的元素丰度结构。
• 检验迁移与可变超新星产率是否能够解释观测到的[α/Fe]双峰性、年龄-丰度关系与金属量梯度。
• 通过将迁移与模拟中的恒星形成及外流历史解耦，隔离迁移对化学模式的影响。
• 提供一个灵活且公开可用的建模框架，用于在经验约束下测试化学演化情景。

提出的方法

• 将多环化学演化模型与来自宇宙学流体动力学星系模拟（EAGLE类，但未具体说明）的恒星迁移及垂直星族分布相结合。
• 采用时间与半径相关的恒星形成律，形式基于经验动机，并经调整以再现观测到的径向金属量梯度。
• 通过模拟获得的时间与半径相关的迁移速率实现恒星迁移，影响轨道半径与垂直标高。
• 采用灵活的恒星形成历史（SFH），其归一化随时间变化，通过总恒星质量与径向面密度分布进行校准。
• 整合氧（来自核心坍缩超新星）与铁（来自CCSNe与SN Ia）的超新星产率，其中SN Ia的速率受迁移引起的波动调制。
• 使用VICE代码库计算化学演化，用户可自定义SFH、外流质量加载因子与延迟时间分布函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 恒星迁移与随时间变化的恒星形成在多大程度上能再现观测到的[O/Fe]、[Fe/H]与[O/H]的径向与垂直梯度？
• RQ2 SN Ia速率的迁移诱导波动是否能解释太阳邻域年轻α元素增强恒星的存在？
• RQ3 为何观测到的年龄-[O/Fe]与年龄-[Fe/H]关系呈现非单调趋势且具有较大离散度？这一现象能否在不引入双峰核合成的情况下重现？
• RQ4 晚期恒星形成爆发是否能改善与观测到的年龄-金属量关系的一致性？其与[O/Fe]趋势的权衡如何？
• RQ5 为何模型无法再现观测中看到的[α/Fe]双峰分布？这暗示了对更复杂演化路径的何种需求？

主要发现

• 该模型成功再现了[O/Fe]-[Fe/H]分布的径向与垂直依赖性，包括随着|z|增大梯度变平缓的现象。
• 它捕捉到了太阳金属量以下[O/Fe]的宽分布及其随半径与高度的变化，显示在较大|z|与外半径区域离散度增加。
• 该模型再现了[O/Fe] > 0.1时[O/Fe]与恒星年龄之间的紧密相关性，太阳金属量处的中位年龄约为4 Gyr。
• SN Ia速率的迁移诱导波动自然产生了年轻与中等年龄的α元素增强恒星群体，与观测一致。
• 年龄-[Fe/H]与年龄-[O/H]关系呈现非单调趋势且离散度大，晚期爆发模型显著改善了与观测的一致性，尤其在太阳邻域之外。
• 尽管经过调优，所有模型均未能再现数据中观测到的[O/Fe]显著双峰性，表明除标准超新星产率与迁移外，还需引入额外的物理机制。