[论文解读] The GALAH survey: Milky Way disc metallicity and alpha-abundance trends in combined APOGEE-GALAH catalogues

Govind Nandakumar, Michael Hayden+22 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 6被引用 4

一句话总结

本研究结合APOGEE与GALAH巡天数据，采用数据驱动的Cannon方法，创建了两个各包含约50万颗恒星的高精度星表，实现了对银河系盘面金属丰度及[$\alpha$/Fe]趋势的稳健分析。研究发现，两巡天在[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]关系趋势以及径向和垂直金属丰度梯度方面具有一致性，其中APOGEE样本在太阳邻域表现出略高的平均金属丰度，并在统计功效上有所提升。

ABSTRACT

GALAH and APOGEE are two high resolution multi object spectroscopic surveys that provide fundamental stellar parameters and multiple elemental abundance estimates for $>$ 400,000 stars in the Milky Way. They are complimentary in both sky coverage and wavelength regime. Thus combining the two surveys will provide us a large sample to investigate the disc metallicity and alpha abundance trends. We use the Cannon data-driven approach selecting training sets from among $\sim$20,000 stars in common for the two surveys to predict the GALAH scaled stellar parameters from APOGEE spectra as well as APOGEE scaled stellar parameters from GALAH spectra. We provide two combined catalogues with GALAH scaled and APOGEE scaled stellar parameters each having $\sim$500,000 stars after quality cuts. With $\sim$470,000 stars that are common in both these catalogues, we compare the GALAH scaled and APOGEE scaled metallicity distribution functions (MDF), radial and vertical metallicity gradients as well as the variation of [$\alpha$/Fe] vs [Fe/H] trends along and away from the Galactic mid plane. We find mean metallicities of APOGEE scaled sample to be higher compared to that for the GALAH scaled sample. We find similar [$\alpha$/Fe] vs [Fe/H] trends using both samples consistent with previous observational as well as simulation based studies. Radial and vertical metallicity gradients derived using the two survey scaled samples are consistent except in the inner and outer Galactocentric radius bins. Our gradient estimates in the solar neighborhood are also consistent with previous studies and are backed by larger sample size compared to previous works.

研究动机与目标

• 通过结合APOGEE与GALAH巡天，利用其互补的天区覆盖范围与波段范围，创建统一的、高精度的恒星星表。
• 利用比以往研究更大的一致样本，实现对银河系盘面金属丰度与[$\alpha$/Fe]趋势的稳健研究。
• 通过Cannon方法的交叉校准，评估APOGEE与GALAH在恒星参数与元素丰度估计上的一致性。
• 与先前工作相比，以更高的统计显著性推导出径向与垂直金属丰度梯度，以及[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]的关系趋势。
• 通过比较重叠恒星群体中APOGEE校准与GALAH校准的参数，验证合并巡天结果的可靠性。

提出的方法

• 将数据驱动的Cannon方法应用于APOGEE与GALAH共有的约20,000颗恒星，训练模型以从APOGEE光谱预测GALAH校准的恒星参数，反之亦然。
• 利用训练好的模型生成两个合并星表：一个使用APOGEE光谱输出GALAH校准的恒星参数，另一个使用GALAH光谱输出APOGEE校准的恒星参数。
• 应用质量筛选，每张星表保留约500,000颗恒星，其中约470,000颗为两表共有的恒星，用于直接比较。
• 对两种巡天校准样本之间的金属丰度分布函数（MDF）、径向与垂直金属丰度梯度，以及[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]趋势进行统计比较。
• 采用一致的分析流程，确保结果差异源于巡天本身的内在差异，而非方法学偏差。
• 通过更大样本量的合并星表，将太阳邻域的梯度估计值与先前研究进行对比，以验证其可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系盘面范围内，从APOGEE校准与GALAH校准参数导出的金属丰度分布函数（MDF）如何比较？
• RQ2 在内区与外区银心半径区间内，APOGEE校准与GALAH校准样本的径向与垂直金属丰度梯度在多大程度上保持一致？
• RQ3 从两个巡天校准星表导出的[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]趋势如何比较？是否与先前的观测与模拟研究结果一致？
• RQ4 样本量对太阳邻域金属丰度梯度估计精度有何影响？合并星表相比以往结果有何改进？
• RQ5 APOGEE校准与GALAH校准样本之间是否存在平均金属丰度的系统性差异？其成因可能是什么？

主要发现

• APOGEE校准样本的平均金属丰度高于GALAH校准样本，表明两巡天在恒星参数校准上存在系统性偏差。
• 从APOGEE校准与GALAH校准样本导出的[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]趋势彼此一致，且与先前的观测与模拟研究结果相符。
• 两样本导出的径向与垂直金属丰度梯度总体一致，但在内区与外区银心半径区间出现差异。
• 太阳邻域的梯度估计值与先前研究一致，但因约470,000颗共有的恒星构成更大样本，精度显著提高。
• 通过Cannon方法的交叉校准，成功实现了两巡天间恒星参数与元素丰度趋势的可靠比较，验证了合并星表的实用性。
• 合并星表为未来银河系化学演化研究提供了稳健基础，显著提升了统计功效，并降低了梯度测量的不确定性。