[论文解读] The Star Formation History of the Milky Way

Gerry Gilmore|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 5

一句话总结

该论文通过结合化学丰度数据与动力学约束，重建了银河系的恒星形成历史，发现星系晕和球状星团在约100 Myr内以低速率（约1 M☉/yr）快速形成，而厚盘和银心则在1–3 Gyr内以中等速率（1–100 M☉/yr）持续形成，薄盘则以约1–10 M☉/yr的速率持续形成。结果挑战了简单的组装模型，表明金属丰度与最终引力势井深度相关，暗示恒星是在星系完整势阱内原位形成的。

ABSTRACT

Quantification of the Galaxy's star formation history involves both the duration and the rate of formation, with these parameters being known with different precision for different populations. The early rate of star formation is knowable from modelling chemical element data, the recent rate directly from isochrone analyses of colour-magnitude data. The field halo and globular clusters are almost exclusively old, and formed in at most a few Gyr. The outer bulge probably formed in a short period long ago -- extant data is inconsistent, while the inner bulge/disk is forming today, and has continued to form over time. Only very limited data is available on the inner disk. The outer disk near the Sun seems as old as the halo. The earliest extended disk, which forms the thick disk today, seems to have been in place very early, an observation which is not simply consistent with some galaxy formation models.

研究动机与目标

• 利用化学丰度数据量化不同银河系恒星族的恒星形成速率与持续时间。
• 检验星系是否在其最终引力势井内原位形成，或由更小系统组装而成。
• 确定与星系晕和银心恒星中观测到的元素丰度离散度一致的最小恒星形成速率。
• 评估超新星驱动的混合过程在塑造古老恒星族中观测到的金属丰度弥散中的作用。
• 评估银河系的形成历史与Madau图中显示的宇宙恒星形成总体趋势的一致性。

提出的方法

• 基于II型与Ia型超新星之间的时间延迟，使用α元素与铁峰元素比值（如[α/Fe]）的离散度作为恒星形成 timescale 的诊断工具。
• 引入混合效率参数ζ，以模拟超新星抛射物在小而致密区域（如吸收线深度较大的Lyα系统）中的均匀化过程，从而设定恒星形成速率的下限。
• 利用公式 R ≤ ζ × η × τ⁻¹ × M_halo 推导恒星形成速率的上限，其中η为偏离主导丰度趋势的恒星比例。
• 通过初始质量函数（IMF）的蒙特卡洛模拟超新星产物，估算实现充分混合所需的超新星数量与气体质量。
• 结合观测到的星系晕质量（2 × 10⁹ M☉）与丰度离散度，约束星系晕恒星形成的最小持续时间与速率。
• 在不同恒星族（球状星团、星晕、厚盘、银心、盘）之间比较结果，推断出一致的恒星形成历史。

实验结果

研究问题

• RQ1 与银河系星晕恒星中观测到的元素丰度离散度一致的最小恒星形成速率是多少？
• RQ2 场星晕恒星的观测金属丰度分布可由一次短暂而强烈的恒星形成爆发解释，还是需要更长、更持续的形成过程？
• RQ3 恒星的金属丰度在多大程度上反映了其形成时所处引力势井的深度，从而暗示原位形成而非组装形成？
• RQ4 厚盘与银心的恒星形成历史与星晕和球状星团相比如何？这对理解银河系内区成分的形成有何启示？
• RQ5 外盘与星晕中观测到的恒星形成速率是否与宇宙恒星形成历史的Madau图中显示的总体趋势一致？

主要发现

• 场星晕与球状星团在持续时间≤100 Myr的短时爆发中形成，速率约为1 M☉/yr，与α元素比值的低离散度一致。
• 厚盘在数×10⁹年的时间尺度内形成，速率为1–10 M☉/yr，[α/Fe]升高表明其早期快速形成。
• 内银心与盘系在过去约10 Gyr内持续形成恒星，速率约为1–10 M☉/yr，与持续恒星形成一致。
• 银心表现出两个组分：一个高[α/Fe]组分在约10⁸ yr内以10–100 M☉/yr的速率快速形成，另一个低[α/Fe]组分则在约1 Gyr内以相似速率形成。
• 基于混合效率与观测到的丰度离散度，星晕的恒星形成速率被约束在≤10 M☉/yr，最小持续时间约为~2 × 10⁷ yr。
• 缺乏高金属丰度、低光度的系统，排除了大星系通过组装低金属丰度恒星系统形成的可能，支持其在最终引力势井内原位形成。