[论文解读] The disc origin of the Milky Way bulge: Dissecting the chemo-morphological relations using N-body simulations and APOGEE

Francesca Fragkoudi, P. Di Matteo+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 83被引用 3

一句话总结

本文提出银河系银心棒状结构起源于由薄盘与厚盘组成的复合盘面的缓慢演化，其中盒形/花生（b/p）银心结构通过棒驱动的垂直加热形成。结合N体模拟与APOGEE DR13数据，研究显示冷（薄盘）与热（厚盘）星族的差异映射能够重现观测到的化学-形态学特征，包括金属量梯度、金属量分布函数（MDF）趋势及方位角变化，支持金属贫乏银心星族的盘面起源，而非经典球状星族。

ABSTRACT

There is a long-standing debate on the origin of the metal-poor stellar populations of the Milky Way (MW) bulge, with the two leading scenarios being that these populations are either i) part of a classical metal-poor spheroid or ii) the same population as the chemically defined thick disc seen at the Solar neighbourhood. Here we test whether the latter scenario can reproduce the observed chemical properties of the MW bulge. To do so we compare an N-body simulation of a composite (thin+thick) stellar disc -- which evolves secularly to form a bar and a boxy/peanut (b/p) bulge -- to data from APOGEE DR13. This model, in which the thick disc is massive and centrally concentrated, can reproduce the morphology of the metal-rich and metal-poor stellar populations in the bulge, as well as the mean metallicity and [$α$/Fe] maps as obtained from the APOGEE data. It also reproduces the trends, in both longitude and latitude, of the bulge metallicity distribution function (MDF). Additionally, we show that the model predicts small but measurable azimuthal metallicity variations in the inner disc due to the differential mapping of the thin and thick disc in the bar. We therefore see that the chemo-morphological relations of stellar populations in the MW bulge are naturally reproduced by mapping the thin and thick discs of the inner MW into a b/p.

研究动机与目标

• 检验银河系银心中金属贫乏星族是否可源自化学定义的厚盘，而非经典球状星族。
• 探究复合薄+厚盘的缓慢演化是否能重现银心观测到的形态与化学特性。
• 利用模拟与观测数据，检验银心区域的化学-形态学关系，包括金属量梯度与分布函数。
• 确定内盘方位角金属量变化是否源于棒中盘成分的差异映射。
• 评估一个质量大、中心集中的厚盘是否能解释银心与内盘观测到的运动学与化学趋势。

提出的方法

• 对包含薄盘与厚盘的复合恒星盘进行N体模拟，使其缓慢演化形成棒结构并产生盒形/花生（b/p）银心结构。
• 利用APOGEE DR13数据，将模拟的金属量与[α/Fe]分布图与银心及内盘区域的观测分布进行比较。
• 分析模拟银心中金属丰度较高与较低星族的形态，以匹配观测到的X形结构与红巨星分支分裂。
• 测量在模拟与数据中，金属量分布函数（MDF）随银道面经度与银纬的变化趋势。
• 量化由于棒中薄盘与厚盘成分的差异映射，导致内盘方位角金属量变化的程度。
• 应用空间与运动学选择函数，使模拟的恒星星族与APOGEE巡天的几何分布与完整度相匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过缓慢演化的复合盘模型重现银河系银心观测到的形态与化学-动力学结构？
• RQ2 银心金属量分布函数（MDF）的观测趋势——尤其是经度与银纬方向的变化——是否与盘面起源模型的预测一致？
• RQ3 银心的垂直金属量梯度（高银纬处金属贫乏成分比例增加）是否可自然地由薄盘与厚盘星族的映射关系解释？
• RQ4 内盘中可测量的小幅方位角金属量变化（≈0.1 dex）是否可由棒中冷、热星族的差异映射再现？
• RQ5 银心的运动学与化学结构是否支持金属贫乏星族的盘面起源，而非经典球状星族？

主要发现

• 包含质量大、中心集中的厚盘的N体模拟成功再现了银河系银心观测到的X形形态。
• 模拟的平均金属量与[α/Fe]分布图在银心与内盘区域均与APOGEE DR13数据高度吻合。
• 该模型成功再现了金属量分布函数（MDF）随经度与银纬的变化趋势，包括正向的经度金属量梯度。
• 模拟预测，由于棒中薄盘与厚盘星族的差异映射，内盘存在约0.1 dex的小幅但可观测的方位角金属量变化。
• 该模型将银心的垂直金属量梯度（高银纬处金属贫乏成分比例增加）解释为盘面成分在运动学与空间上的分离结果。
• 结果支持银河系银心的盘面起源，其中金属贫乏星族属于化学定义的厚盘，而非经典球状星族。