[论文解读] The Besancon Galaxy model renewed I. Constraints on the local star formation history from Tycho data

M. Czekaj, A. C. Robin+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2014

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 54被引用 71

一句话总结

本文提出了一版更新的贝桑松星系模型（BGM），利用Tycho-2全天测光数据，改进了恒星形成历史（SFH）和初始质量函数（IMF）的约束。通过将薄盘模型化为包含IMF、SFR和演化轨迹的自由参数，并整合一致的双星生成机制，该模型发现SFR呈下降趋势，且高质质量IMF斜率接近3.0，排除了Salpeter的斜率，支持太阳邻近区域的恒星形成率下降。

ABSTRACT

The understanding of Galaxy evolution can be facilitated by the use of population synthesis models, which allows us to test hypotheses on the star formation history, star evolution, and chemical and dynamical evolution of the Galaxy. The new version of the Besancon Galaxy model (hereafter BGM) aims to provide a more flexible and powerful tool to investigate the initial mass function (IMF) and star formation rate (SFR) of the Galactic disc. We present a new strategy for the generation of thin disc stars, which assumes the IMF, SFR and evolutionary tracks as free parameters. We have updated most of the ingredients for the star count production and, for the first time, binary stars are generated in a consistent way. The local dynamical self-consistency is maintained in this new scheme. We then compare simulations from the new model with Tycho-2 data and the local luminosity function, as a first test to verify and constrain the new ingredients. The effects of changing thirteen different ingredients of the model are systematically studied. For the first time, a full sky comparison is performed between BGM and data. This strategy allows us to constrain the IMF slope at high masses, which is found to be close to 3.0 and excludes a shallower slope such as Salpeter's one. The SFR is found decreasing whatever IMF is assumed. The model is compatible with a local dark matter density of 0.011 Mo/pc^3 implying that there is no compelling evidence for the significant amount of dark matter in the disc. While the model is fitted to Tycho-2 data, which is a magnitude limited sample with V<11, we check that it is still consistent with fainter stars. The new model constitutes a new basis for further comparisons with large scale surveys and is being prepared to become a powerful tool for the analysis of the Gaia mission data.

研究动机与目标

• 开发一种更具灵活性和自洽性的贝桑松星系模型（BGM）版本，使初始质量函数（IMF）、恒星形成率（SFR）和恒星演化轨迹可独立调节。
• 通过引入一致的双星生成机制并保持局部动力学自洽性，改进薄盘恒星的模拟。
• 利用全天Tycho-2数据（V < 11）和局部光度函数，约束IMF和SFR，实现与观测结果的稳健统计比较。
• 检验模型是否能在不过度产生蓝星的情况下再现观测星数，以判断SFR或IMF是否设定错误。
• 通过提升模型保真度和参数退化处理能力，为未来Gaia任务数据的分析奠定基础。

提出的方法

• 模型使用IMF斜率、SFR演化和恒星演化轨迹的自由参数生成薄盘恒星，使这些要素可独立变化。
• 通过F. Arenou提供的详细实施策略，一致地生成双星，提升了合成测光的真实性。
• 应用三维消光模型（Marshall et al. 2006 和 Drimmel & Spergel 2001），校正全天范围的尘埃消光和红化效应。
• 将全天星数模拟与Tycho-2数据直接对比，实现模型参数的全天空统计验证。
• 对13个模型要素进行系统性敏感性分析，评估其对模拟星数和颜色分布的影响。
• 模型通过局部光度函数进行验证，并测试其在更暗星体（V > 14）上的表现，确保其在光限样本之外的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在太阳邻近区域，何种IMF斜率最能再现观测到的Tycho-2颜色-星等分布？
• RQ2 恒定或递减的恒星形成率（SFR）哪一个更符合Tycho-2调查中的观测星数？
• RQ3 不同的消光模型（Marshall et al. 2006 与 Drimmel & Spergel 2001）如何影响模型再现观测星数的能力？
• RQ4 模型能否在不同银纬（包括银道面内）准确再现观测到的(B-V)T分布？
• RQ5 Tycho-2数据对本地暗物质密度施加了何种约束？模型是否支持存在显著的盘状暗物质组分？

主要发现

• 模型发现高质质量IMF斜率约为3.0，强烈排除了如Salpeter斜率（α = 2.35）等较平缓的斜率，因为后者会产生不合理的蓝星过剩。
• 为匹配数据，必须采用递减的恒星形成率（SFR）；无论IMF如何，恒定SFR都会导致蓝星显著过剩。
• 模型与本地暗物质密度0.011 M☉ pc⁻³一致，未提供支持存在显著盘状暗物质组分的有力证据。
• 新模型成功再现了Tycho-2数据在全天空范围的表现，包括中高银纬区域，并与更暗星体（V > 14）保持一致。
• Kroupa-Haywood v6 IMF与Haywood-Robin IMF结合Aumer & Binney (2009)的递减SFR，对Tycho-2数据的拟合效果最佳。
• 模型表明，仅凭Tycho-2数据本身，即可对太阳邻近区域明亮恒星和中等质量范围的IMF和SFR施加强约束。