[论文解读] The Milky Way's bar and bulge revealed by APOGEE DR16 and Gaia DR2

A. B. A. Queiroz, C. Chiappini+21 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 16被引用 13

一句话总结

本研究利用APOGEE DR16与Gaia DR2数据，分析了银河系内区超过24,000颗恒星，揭示了在[$\alpha$/Fe]、[C/N]和[Mn/O]比值中存在化学不连续性，表明高-$\alpha$与低-$\alpha$星族之间存在恒星形成抑制的间隙。研究识别出共存的星族，包括旋臂、内盘薄盘与厚盘，以及一个压力支撑的金属丰度组分，同时表明旋臂捕获的恒星仍保持化学双峰性，暗示旋臂捕获效率高但未导致化学上的显著差异。

ABSTRACT

We investigate the inner regions of the Milky Way with a sample of unprecedented size and coverage thanks to APOGEE DR16 and {\it Gaia} DR2 data. Our inner Galactic sample has more than 24,000 stars within $|X_{ m Gal}| <5$ kpc, $|Y_{ m Gal}| <3.5$ kpc, $|Z_{ m Gal}| <1$ kpc, and we also make the analysis for a foreground-cleaned sub-sample of 7,000 stars more representative of the bulge-bar populations. The inner Galaxy shows a clear chemical discontinuity in key abundance ratios [$\alpha$/Fe], [C/N], and [Mn/O], probing different enrichment timescales, which suggests a star formation gap (quenching) between the high- and low-$\alpha$ populations. For the first time we are able to fully characterize the different populations co-existing in the innermost regions of the Galaxy via a joint analysis of the distributions of rotational velocities, metallicities, orbital parameters and chemical abundances. The chemo-kinematic analysis reveal presence of the bar; of an inner thin disk; of a thick disk, and of a broad metallicity population, with a large velocity dispersion, indicative of a pressure supported component. We find and characterize chemically and kinematically a group of counter-rotating stars, which could be the result of gas-rich merger event or just the result of clumpy star formation during the earliest phases of the early disk, which migrated into the bulge. Finally, based on the 6D information we assign stars a probability value of being on a bar orbit and find that most of the stars with large bar orbit probabilities come from the innermost 3 kpc. Even stars with high probability of belonging to the bar show the chemical bimodality in the [$\alpha$/Fe] vs. [Fe/H] diagram. This suggests bar trapping to be an efficient mechanism, explaining why stars on bar orbits do not show a significant distinct chemical abundance ratio signature.

研究动机与目标

• 利用高精度恒星数据表征银河系内区的化学动力学结构。
• 通过联合分析运动学与化学特征，识别出不同的恒星星族，如旋臂、内盘薄盘与厚盘，以及压力支撑的组分。
• 研究反向旋转恒星的起源，并探讨其与早期富气体并合或碎屑状恒星形成之间的潜在联系。
• 评估旋臂捕获在塑造银河系内区恒星运动学与化学分布中的作用。
• 确定位于旋臂轨道上的恒星是否表现出独特的化学丰度模式，以检验旋臂捕获的效率。

提出的方法

• 结合APOGEE DR16光谱数据与Gaia DR2天体测量数据，获取位于|X| < 5 kpc、|Y| < 3.5 kpc、|Z| < 1 kpc区域内超过24,000颗恒星的6维相空间信息（位置与速度）。
• 应用前景消去处理程序，分离出7,000颗恒星的代表性子样本，用于核球-旋臂星族分析。
• 对金属丰度、[$\alpha$/Fe]、[C/N]、[Mn/O]、旋转速度、轨道参数及化学丰度比值进行联合分析，以区分不同恒星星族。
• 利用6维相空间数据计算每颗恒星位于旋臂轨道上的概率，从而识别出旋臂捕获的恒星。
• 分析在不同运动学与轨道组中，[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]图中高-与低-$\alpha$星族的共存情况。
• 采用统计建模方法，评估旋臂捕获恒星是否与非旋臂恒星相比表现出化学上独特的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系最内区的化学动力学特性是什么？它们如何揭示出不同的恒星星族？
• RQ2 内区存在旋臂是否会导致位于旋臂轨道上的恒星形成化学上独特的星族？
• RQ3 观测到的[$\alpha$/Fe]、[C/N]与[Mn/O]比值中的化学不连续性由何引起？其对恒星形成历史有何启示？
• RQ4 在银河系内区识别出的反向旋转恒星组的起源是什么？
• RQ5 旋臂捕获在捕获恒星方面效率如何？是否保留了其原始化学特征？

主要发现

• 在[$\alpha$/Fe]、[C/N]与[Mn/O]比值中存在明显的化学不连续性，揭示了银河系内区高-与低-$\alpha$星族之间存在恒星形成抑制的间隙。
• 银河系内区存在多个共存的星族：旋臂、内盘薄盘、厚盘，以及一个具有大速度弥散度的压力支撑金属丰度组分。
• 识别出一组反向旋转恒星，其成因可能与早期富气体并合或盘形成期间的碎屑状恒星形成有关。
• 绝大多数位于旋臂轨道上高概率的恒星集中于最内3 kpc区域，表明该区域受旋臂影响强烈。
• 尽管旋臂轨道概率较高，恒星在[$\alpha$/Fe]与[Fe/H]图中仍保持化学双峰性，表明旋臂捕获并未抹去其原始化学特征。
• 旋臂捕获恒星中化学双峰性的持续存在，意味着旋臂捕获效率极高，但并未引发显著的化学混合。