[论文解读] The Milky Way has no in-situ halo other than the heated thick disc. Composition of the stellar halo and age-dating the last significant merger with Gaia DR2 and APOGEE

P. Di Matteo, M. Haywood+6 more|HAL (Le Centre pour la Communication Scientifique Directe)|Dec 19, 2018

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 101被引用 7

一句话总结

本研究结合盖亚DR2天体测量数据与APOGEE DR14化学丰度数据，表明银河系恒星晕中除加热的厚盘外，不存在显著的原位形成恒星群体。研究识别出约90–110亿年前的一次古老并合事件，该事件将盘状恒星加热至晕状动力学特性，使其与并合恒星无法区分。研究结论认为，银河系内晕的主要晕组分是金属丰度较高的加热厚盘恒星，而非独立的原位形成晕。

ABSTRACT

Previous studies based on the analysis of Gaia DR2 data have revealed that accreted stars, possibly originating from a single progenitor satellite, are a significant component of the halo of our Galaxy, potentially constituting most of the halo stars at $ m [Fe/H] < -1$ within a few kpc from the Sun and beyond. In this paper, we couple astrometric data from Gaia DR2 with elemental abundances from APOGEE DR14 to characterize the kinematics and chemistry of in-situ and accreted populations up to $ m [Fe/H] \sim -2$. Accreted stars appear to significantly impact the Galactic chemo-kinematic relations, not only at $ m [Fe/H] < -1$, but also at metallicities typical of the thick and metal-poor thin discs. They constitute about 60% of all stars at $ m [Fe/H] < -1$, the remaining 40% being made of (metal-weak) thick disc stars. We find that the stellar kinematic fossil record shows the imprint left by this accretion event which heated the old Galactic disc. We are able to age-date this kinematic imprint, showing that the accretion occurred between 9 and 11 Gyr ago, and that it led to the last significant heating of the Galactic disc. An important fraction of stars with abundances typical of the (metal-rich) thick disc, and heated by this interaction, is now found in the Galactic halo. Indeed about half of the kinematically defined halo at few kpc from the Sun is composed of metal-rich thick disc stars. Moreover, we suggest that this metal-rich thick disc component dominates the stellar halo of the inner Galaxy. The new picture that emerges from this study is one where the standard non-rotating in-situ halo population, the collapsed halo, seems to be more elusive than ever.

研究动机与目标

• 通过运动学与化学特征区分原位形成与并合恒星，以确定银河系晕中恒星的起源。
• 解决长期存在的关于非并合、非加热原位晕群体是否存在之争议。
• 通过分析早期盘的运动学印记，对最后一次显著并合事件进行年龄测定。
• 量化不同金属丰度下并合恒星与原位（加热）盘恒星对晕的相对贡献。
• 评估金属丰度较高的厚盘恒星（现为动力学高温）是否主导银河系内晕。

提出的方法

• 结合盖亚DR2的天体测量数据与APOGEE DR14对太阳邻域及更远区域恒星的高分辨率化学丰度数据。
• 利用[Fe/H]–[Mg/Fe]平面将金属贫乏、α元素增强的并合恒星与金属丰富、金属弱的厚盘恒星区分开。
• 通过速度弥散度与轨道能量进行运动学选择，识别具有晕状运动特性的恒星。
• 采用化学动力学建模，追踪过去并合事件对早期盘动力学特征的影响。
• 利用老盘恒星的丰度比约束加热事件的时间，基于化学演化模型。
• 在[Fe/H]–[Mg/Fe]平面上对恒星群体进行统计分解，以估算各成分的贡献比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系恒星晕中是否存在显著的原位形成恒星群体，超出加热厚盘范围？
• RQ2 在[Fe/H] < -1与金属丰富区域，晕中并合恒星与原位（加热）盘恒星的相对比例是多少？
• RQ3 能否利用过去并合事件在盘中留下的运动学印记，对银河系盘的最后一次显著加热事件进行定年？
• RQ4 金属丰度较高的厚盘恒星在内银河系动力学定义的晕中贡献有多大？
• RQ5 是否存在证据表明银河系中存在一个独立的、非并合、非加热的原位形成晕群体？

主要发现

• 恒星晕中除加热厚盘外不存在显著的原位形成恒星群体；标准的非旋转原位晕可能不存在，或仅占晕中恒星的百分之几以下。
• 在[Fe/H] < -1的恒星中，约60%为并合恒星，其余40%为（金属弱）厚盘恒星。
• 在太阳附近几kpc范围内的动力学晕恒星中，约一半为金属丰度较高、已加热的厚盘恒星。
• 根据运动学印记与化学约束，导致盘加热的并合事件发生于90–110亿年前。
• 在R = 8–10 kpc范围内，加热厚盘成分的总恒星质量约为2–5 × 10⁹ M☉，是银河系内晕的主要组分。
• 该成分主导内晕，且在讨论晕形成时不可被忽略，挑战了独立原位晕存在的可能性。