[论文解读] The inner two degrees of the Milky Way. Evidence of a chemical difference between the Galactic Center and the surrounding inner bulge stellar populations

M. Schultheis, R. Michael Rich+5 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Jun 19, 2019

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 81被引用 14

一句话总结

本研究分析了银河系中心附近2度范围内的红外光谱数据，发现银河系中心的金属丰度较高的恒星比例显著更高（约80%），远超周围银心内 bulge 区域的50–60%，其平均金属丰度为+0.2 dex。研究结果表明，核星团具有独特的化学组成，表明其可能在富含金属的环境中通过快速原位恒星形成而形成，支持其作为与更广阔银心在化学和动力学上均独立的恒星系统地位。

ABSTRACT

Although there have been numerous studies of chemical abundances in the Galactic bulge, the central two degrees have been relatively unexplored due to the heavy and variable interstellar extinction, extreme stellar crowding, and the presence of complex foreground disk stellar populations. In this paper we discuss the metallicity distribution function, vertical and radial gradients and chemical abundances of $α$-elements in the inner two degrees of the Milky Way, as obtained by recent IR spectroscopic surveys. We use a compilation of recent measurements of metallicities and $α$-element abundances derived from medium-high resolution spectroscopy. We compare these metallicities with low-resolution studies. Defining "metal-rich" as stars with $ m [Fe/H]>0$, and "metal-poor" as stars with $ m [Fe/H]<0$, we find compelling evidence for a higher fraction ($\sim 80\%$) of metal-rich stars in the Galactic Center (GC) compared to the values (50-60\%) measured in the low latitude fields within the innermost 600 pc. The high fraction of metal-rich stars in the GC region implies a very high mean metallicity of +0.2 dex, while in the inner 600 pc of the bulge the mean metallicity is rather homogenous around the solar value. A vertical metallicity gradient of -0.27 dex/kpc in the inner 600 pc is only measured if the GC is included, otherwise the distribution is about flat and consistent with no vertical gradient. In addition to its high stellar density, the Galactic center/nuclear star cluster is also extreme in hosting high stellar abundances, compared to the surrounding inner bulge stellar populations; this has implications for formation scenarios and strengthens the case for the NSC being a distinct stellar system.

研究动机与目标

• 研究银河系最内2度区域的金属丰度分布及化学元素丰度梯度，该区域因高消光和恒星密集而难以开展光学观测。
• 确定银河系中心是否拥有与周围内银心区域不同的化学特性恒星种群。
• 评估观测到的化学差异对核星团（NSC）形成历史及其与人马座A*超大质量黑洞共同演化的影响。
• 评估当前的化学演化模型是否能够再现最内区域观测到的金属丰度分布和梯度。

提出的方法

• 综合近期巡天项目（包括APOGEE和Keck/NIRSPEC）的中、高分辨率红外光谱测量数据，获取恒星的金属丰度和α元素丰度。
• 利用近红外（H-和K-波段）光谱技术，克服高星际消光的影响，尤其适用于冷巨星。
• 比较银河系中心（GC）与内600 pc范围内低银纬场的金属丰度分布函数（MDFs）。
• 利用恒星视线距离和银道坐标计算垂直和径向金属丰度梯度，同时谨慎排除前景银盘污染。
• 运用统计分析量化不同区域中金属丰度较高（[Fe/H] > 0）和金属丰度较低（[Fe/H] < 0）恒星的比例。
• 将现有化学演化模型（如Grieco et al. 2015；Fragkoudi et al. 2018）用于对比，尽管这些模型在最内2°区域的适用性有限。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系中心与周围内银心区域的恒星种群之间是否存在显著的化学差异？
• RQ2 银河系最内2度区域（特别是核星团）的恒星金属丰度分布函数如何？
• RQ3 是否包含银河系中心区域会影响内银心区域垂直金属丰度梯度的存在性？
• RQ4 当前的化学演化模型能否再现银河系中心观测到的高金属丰度峰值？
• RQ5 观测到的化学丰度对核星团形成机制有何启示？

主要发现

• 银河系中心的金属丰度较高恒星（[Fe/H] > 0）比例显著更高（约80%），而周围内银心区域的比例为50–60%。
• 银河系中心的平均金属丰度为+0.2 dex，远高于更广阔内600 pc银心区域的太阳金属丰度水平。
• 仅在包含银河系中心时，才测量到-0.27 dex/kpc的垂直金属丰度梯度；若不包含，则分布平坦，与无梯度一致。
• GC区域的高金属丰度与简单的封闭盒化学演化模型不一致，表明其形成历史独特，涉及在预先富集环境中的快速原位恒星形成。
• 观测到的化学特性支持核星团为化学上独立系统的假设，其极有可能是在超大质量黑洞存在下通过快速恒星形成而形成的。
• 核星团中存在老年恒星（如RR Lyrae）且金属丰度较高，暗示恒星形成与黑洞增长可能共同演化，但‘年轻矛盾’问题仍未解决。