[论文解读] The recurrent impact of the Sagittarius dwarf on the Milky Way star formation history

T. Ruiz-Lara, Carme Gallart+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 22被引用 8

一句话总结

本研究利用盖亚DR2数据和先进的颜色-星等图（CMD）建模方法，重建了太阳周围2千秒差距体积内的恒星形成历史（SFH），揭示了三个显著且具有高统计意义的恒星形成爆发事件，分别发生在57亿年前、19亿年前和10亿年前。这些爆发事件的精确时间与人马座矮星系预计的近心点通过时间高度吻合，强烈表明该星系是银河系盘面中反复触发恒星形成的主因。

ABSTRACT

Satellites orbiting disc galaxies can induce phase space features such as spirality, vertical heating and phase-mixing in their discs. Such features have also been observed in our own Galaxy, but the complexity of the Milky Way disc has only recently been fully mapped thanks to Gaia DR2 data. This complex behaviour is mainly ascribed to repeated perturbations induced by the Sagittarius dwarf galaxy (Sgr) along its orbit, pointing to this satellite as the main dynamical architect of the Milky Way disc. Here, we model Gaia DR2 observed colour-magnitude diagrams to obtain the first detailed star formation history of the ~ 2-kpc bubble around the Sun. It reveals three conspicuous and narrow episodes of enhanced star formation that we can precisely date as having occurred 5.7, 1.9 and 1 Gyr ago. Interestingly, the timing of these episodes coincides with proposed Sgr pericentre passages according to i) orbit simulations, ii) phase space features in the Galactic disc, and iii) Sgr stellar content. These findings most likely suggest that Sgr has also been an important actor in the build-up of the Milky Way disc stellar mass, with its perturbations repeatedly triggering major episodes of star formation.

研究动机与目标

• 利用高精度盖亚DR2数据，确定太阳周围2千秒差距半径范围内银河系盘面的详细恒星形成历史（SFH）。
• 检验当前的测光和天体测量数据是否能够稳健地探测到银河系盘面中周期性的恒星形成爆发事件。
• 探究人马座矮星系的引力扰动与观测到的银河系盘面恒星形成事件之间是否存在潜在的因果关联。
• 评估人马座矮星系通过其对恒星形成的影响，对银河系盘面结构与化学演化所产生的影响。

提出的方法

• 使用THESTORM代码对盖亚DR2中观测到的颜色-星等图（CMDs）进行建模，以推断太阳周围2千秒差距球形体积内的恒星形成历史（SFH）。
• 采用贝叶斯拟合技术，对来自BaSTI恒星演化星族库生成的合成CMD进行处理，整合了真实的测光误差和消光修正。
• 使用完整数据集（经质量筛选后约2400万颗恒星）中最多约25万名恒星的随机子样本，以确保统计稳健性并降低计算负载。
• 通过大量测试验证方法的可靠性，测试内容包括包含孤立爆发和指数衰减的模拟恒星系统，并模拟观测误差。
• 基于切向速度将恒星分配至薄盘和厚盘成分，以分析不同运动学成分中SFH的差异。
• 通过多次不同随机子样本和消光系数下SFH解的集合平均来计算不确定性，误差棒表示第16和第84百分位数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否从盖亚DR2数据中可靠地恢复出太阳周围大体积区域的高精度恒星形成历史？
• RQ2 银河系盘面中是否存在明显且短暂的恒星形成爆发事件？若存在，其发生时间为何？
• RQ3 观测到的恒星形成爆发事件与人马座矮星系预测的近心点通过时间之间是否存在时间相关性？
• RQ4 薄盘与厚盘的恒星形成历史有何差异？这一差异对爆发事件的起源意味着什么？
• RQ5 人马座矮星系在多大程度上作为反复触发银河系盘面恒星形成的机制？

主要发现

• 在57亿年前、19亿年前和10亿年前分别发生了三个显著且狭窄的恒星形成爆发事件，持续时间分别为0.8亿年、0.2亿年和0.1亿年，显著性水平达3–4σ。
• 57亿年前的爆发尤为强烈，贡献了24%的薄盘恒星和16%的厚盘恒星，表明其为一次具有全局影响的事件。
• 爆发事件的时间与通过轨道模拟和盘面相空间特征推导出的人马座矮星系近心点通过时间精确吻合。
• 由于年龄分辨率有限或空间覆盖范围较小，此前的SFH研究未能探测到57亿年前的爆发事件，凸显了盖亚DR2和新方法的优势。
• 该方法在模拟数据中成功恢复了预设的爆发事件，证实了SFH重建的稳健性与可靠性，尤其适用于孤立事件。
• 推导出的年龄-金属量关系与银河系中单颗恒星的观测结果一致，验证了整体模型的准确性。