[论文解读] The distribution of [$\alpha$/Fe] in the Milky Way disc

Fiorenzo Vincenzo, David H. Weinberg+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本研究利用APOGEE DR16的红巨星样本，对银河系盘内[$\alpha$/Fe]的本征分布进行建模，同时考虑了选择效应的影响。研究发现，在低[Fe/H]区域，[$\alpha$/Fe]分布呈双峰特征，低$\alpha$与高$\alpha$成分之间存在一个最小值，且两成分均表现出显著的本征离散度（约0.04 dex），为化学演化模型提供了基准参考。

ABSTRACT

Using a sample of red giant stars from the Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE) Data Release 16, we infer the conditional distribution $p([\alpha/ ext{Fe}]\,|\,[ ext{Fe/H}])$ in the Milky Way disk for the $\alpha$-elements Mg, O, Si, S, and Ca. In each bin of [Fe/H] and Galactocentric radius $R$, we model $p([\alpha/ ext{Fe}])$ as a sum of two Gaussians, representing "low-$\alpha$" and "high-$\alpha$" populations with scale heights $z_1=0.45\, ext{kpc}$ and $z_2=0.95\, ext{kpc}$, respectively. By accounting for age-dependent and $z$-dependent selection effects in APOGEE, we infer the [$\alpha$/Fe] distributions that would be found for a fair sample of long-lived stars covering all $z$. Near the Solar circle, this distribution is bimodal at sub-solar [Fe/H], with the low-$\alpha$ and high-$\alpha$ peaks clearly separated by a minimum at intermediate [$\alpha$/Fe]. In agreement with previous results, we find that the high-$\alpha$ population is more prominent at smaller $R$, lower [Fe/H], and larger $|z|$, and that the sequence separation is smaller for Si and Ca than for Mg, O, and S. We find significant intrinsic scatter in [$\alpha$/Fe] at fixed [Fe/H] for both the low-$\alpha$ and high-$\alpha$ populations, typically $\sim 0.04$-dex. The means, dispersions, and relative amplitudes of this two-Gaussian description, and the dependence of these parameters on $R$, [Fe/H], and $\alpha$-element, provide a quantitative target for chemical evolution models and a test for hydrodynamic simulations of disk galaxy formation. We argue that explaining the observed bimodality will probably require one or more sharp transitions in the disk's gas accretion, star formation, or outflow history in addition to radial mixing of stellar populations.

研究动机与目标

• 从APOGEE红巨星样本中推断银河系盘内[$\alpha$/Fe]的本征、经选择效应校正的分布。
• 解析低[Fe/H]区域[$\alpha$/Fe]的双峰特性，并量化其在银河系径向距离R和金属度[Fe/H]上的依赖关系。
• 独立于观测误差，测量低-和高-$\alpha$成分在[$\alpha$/Fe]中的本征离散度。
• 为化学演化模型及盘星系形成过程的流体动力学模拟提供一个定量且空间分辨的基准参考。

提出的方法

• 在[Fe/H]和银河系径向距离R的分箱中，使用两个高斯函数的叠加来表示低-和高-$\alpha$成分，建模条件分布$p([\alpha/Fe] \mid [Fe/H])$。
• 为两个成分分别采用垂直标高$z_1 = 0.45$ kpc和$z_2 = 0.95$ kpc，以考虑垂直结构的影响。
• 通过反卷积观测分布与巡天的选择函数，校正APOGEE中与年龄和高度相关的选择效应。
• 采用贝叶斯拟合方法，推断两个高斯函数的本征均值$\mu_1$、$\mu_2$，标准差$\sigma_1$、$\sigma_2$，以及相对振幅$R_{21}$。
• 利用APOGEE-DR16的丰度误差，以平方和方式减去观测离散度，从而分离出本征离散度。
• 分析五种$\alpha$-元素（Mg、O、Si、S和Ca），以评估不同元素在双峰性和离散度上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低[Fe/H]区域观测到的[$\alpha$/Fe]双峰性是否为本征特征，还是APOGEE选择效应导致的人为结果？
• RQ2 低-和高-$\alpha$成分的相对显著程度如何随银河系径向距离R和[Fe/H]变化？
• RQ3 在固定[Fe/H]条件下，各成分的[$\alpha$/Fe]本征离散度是多少，其在盘面内如何变化？
• RQ4 Mg、O、Si、S和Ca的[$\alpha$/Fe]分布有何差异，这些差异对核合成与物质富集历史有何启示？
• RQ5 需要何种物理机制才能解释观测到的双峰[$\alpha$/Fe]分布及其空间变化特征？

主要发现

• 在太阳半径附近，低[Fe/H]区域的[$\alpha$/Fe]分布呈双峰特征，低-和高-$\alpha$峰之间存在清晰的最小值。
• 高-$\alpha$成分在较小R、更低[Fe/H]以及更大|z|区域更为显著，与厚盘起源一致。
• Si和Ca的峰间分离最小，而Mg、O和S的分离最大，表明其富集或混合过程具有元素依赖性。
• 在固定[Fe/H]条件下，[$\alpha$/Fe]的本征离散度显著，低-和高-$\alpha$成分的典型值均约为0.04 dex。
• 双高斯模型的参数（均值、标准差和相对振幅）随R、[Fe/H]和$\alpha$-元素系统性变化，构成化学演化模型的定量目标。
• 解释双峰性可能需要气体吸积、恒星形成或外流历史中出现急剧转变，同时需考虑径向混合的影响。