[论文解读] The stellar content of the Hamburg/ESO survey. V. The metallicity distribution function of the Galactic halo

T. Schoerck, N. Christlieb+23 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 75

一句话总结

本研究利用汉堡/欧洲南方天文台巡天（Hamburg/ESO Survey）中的1,638颗金属贫乏恒星，校正了观测偏差，给出了银河晕的金属丰度分布函数（MDF）。研究发现，在[Fe/H] ≈ −3.6处MDF出现急剧下降，该现象仅能通过低质量恒星形成临界金属丰度为Z_cr = 10⁻³.⁴ Z☉的模型准确再现，表明早期恒星形成存在一个基本阈值。

ABSTRACT

We determine the metallicity distribution function (MDF) of the Galactic halo by means of a sample of 1638 metal-poor stars selected from the Hamburg/ESO objective-prism survey (HES). The sample was corrected for minor biases introduced by the strategy for spectroscopic follow-up observations of the metal-poor candidates, namely "best and brightest stars first". [...] We determined the selection function of the HES, which must be taken into account for a proper comparison between the HES MDF with MDFs of other stellar populations or those predicted by models of Galactic chemical evolution. The latter show a reasonable agreement with the overall shape of the HES MDF for [Fe/H] > -3.6, but only a model of Salvadori et al. (2007) with a critical metallicity for low-mass star formation of Z_cr = 10^{-3.4} * Z_Sun reproduces the sharp drop at [Fe/H] ~-3.6 present in the HES MDF. [...] A comparison of the MDF of Galactic globular clusters and of dSph satellites to the Galaxy shows qualitative agreement with the halo MDF, derived from the HES, once the selection function of the latter is included. However, statistical tests show that the differences between these are still highly significant. [ABSTRACT ABRIDGED]

研究动机与目标

• 利用大样本的光谱选金金属贫乏恒星，确定银河晕的金属丰度分布函数（MDF）。
• 校正汉堡/ESO巡天（HES）中因‘先观测最亮最亮恒星’的光谱后续策略引入的观测偏差。
• 将观测到的MDF与银河系化学演化理论模型进行比较，特别关注低金属丰度尾部。
• 在考虑巡天选择函数的前提下，评估晕的MDF与球状星团及矮球状星系卫星（dSph）MDF的一致性。
• 评估在[Fe/H] ≈ −3.6处观测到的MDF下降的统计显著性及其对早期恒星形成阈值的启示。

提出的方法

• 从汉堡/欧洲南方天文台巡天（HES）中选取1,638颗金属贫乏恒星，该巡天为大范围的成像棱镜巡天。
• 利用中等分辨率光谱（R ≈ 2000）测定[Fe/H]值，并与高分辨率（R > 20,000）丰度分析结果进行验证。
• 使用HES的详细选择函数模型校正选择偏差，考虑星等与颜色选择效应。
• 将校正后的HES MDF与银河系化学演化模型的理论MDF进行比较，包括不同临界金属丰度（Z_cr）的模型。
• 通过柯尔莫哥洛夫-斯米尔诺夫（KS）检验，统计评估观测MDF与预测MDF之间的相似性。
• 在应用相同的选择函数校正后，评估与矮球状星系（dSph）和球状星团MDF的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对观测偏差进行校正后，基于HES样本推导出的银河晕金属丰度分布函数（MDF）形状如何？
• RQ2 哪种银河系化学演化模型最能再现观测到的MDF，特别是[Fe/H] ≈ −3.6处的急剧下降？
• RQ3 观测到的[Fe/H] < −3.6恒星数量与模型预测之间的差异在统计上有多显著？
• RQ4 在考虑选择效应后，银河系球状星团与dSph卫星的MDF与晕MDF在多大程度上一致？
• RQ5 当前样本对[Fe/H] ≈ −5.5处是否存在尾部有何启示？未来需要哪些巡天来确认？

主要发现

• HES的MDF在[Fe/H] ≈ −3.6处出现急剧下降，而大多数银河系化学演化模型无法再现该现象。
• 仅Salvadori等人（2007）提出的模型，其低质量恒星形成临界金属丰度为Z_cr = 10⁻³.⁴ Z☉，能准确再现观测到的MDF下降。
• 观测到的[Fe/H] < −3.6恒星数量（2颗）显著低于模型预测值（约10颗），KS检验概率极低，表明统计显著。
• 在选择函数校正后，银河晕MDF与dSph及球状星团MDF在定性上一致，但统计检验揭示了高度显著的差异。
• 当前样本中无[Fe/H] < −4.2的恒星，尽管文献中已知另有三颗处于该范围的恒星，表明此类天体确实存在。
• 未来更深度的巡天，如南天巡天（Southern Sky Survey）和LAMOST，预计将提供更大、更完整、更无偏的样本，以实现与理论MDF的稳健比较。