[论文解读] There is No Place Like Home -- Finding Birth Radii of Stars in the Milky Way

Yuxi, Ivan Minchev+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Astronomical and nuclear sciences被引用 14

一句话总结

本文提出一种数据驱动的方法，仅基于年龄和金属度测量值，推断银河系内恒星的形成半径，利用金属度范围与形成径向金属度梯度之间的反比关系。该方法恢复出110至80亿年前金属度梯度显著变陡——与盖亚-土星-恩赛勒达斯并合事件相吻合——并估算太阳的形成半径为4.5 ± 0.4 kpc（距银河系中心）。

ABSTRACT

Stars move away from their birthplaces over time via a process known as radial migration, which blurs chemo-kinematic relations used for reconstructing the Milky Way (MW) formation history. To understand the true time evolution of the MW, one needs to take into account the effects of this process. We show that stellar birth radii can be derived directly from the data with minimum prior assumptions on the Galactic enrichment history. This is done by first recovering the time evolution of the stellar birth metallicity gradient, $d\mathrm{[Fe/H]}(R, τ)/dR$, through its inverse relation to the metallicity range as a function of age today, allowing us to place any star with age and metallicity measurements back to its birthplace, $R_b$. Applying our method to a large, high-precision data set of MW disk subgiant stars, we find a steepening of the birth metallicity gradient from 11 to 8 Gyr ago, which coincides with the time of the last massive merger, Gaia-Sausage-Enceladus (GSE). This transition appears to play a major role in shaping both the age-metallicity relation and the bimodality in the [$α$/Fe]-[Fe/H] plane. By dissecting the disk into mono-$R_b$ populations, clumps in the low-[$α$/Fe] sequence appear, which are not seen in the total sample and coincide in time with known star-formation bursts, possibly associated with the Sagittarius Dwarf Galaxy. We estimated that the Sun was born at $4.5\pm 0.4$~kpc from the Galactic center. Our $R_b$ estimates provide the missing piece needed to recover the Milky Way formation history.

研究动机与目标

• 通过恢复恒星形成半径，重建银河系的形成历史，且不依赖于化学演化模型的先验假设。
• 解决径向迁移导致化学动力学关系模糊化的问题，该问题在银河系考古学中具有挑战性。
• 为化学演化建模提供缺失的实证约束——即随时间演化的形成金属度梯度。
• 利用LAMOST巡天提供的高精度年龄与金属度数据，估算太阳的形成半径。
• 证明单Rb群体可揭示低[α/Fe]序列中原本不可见的恒星形成爆发。

提出的方法

• 该方法通过反演随年龄变化的观测金属度范围（Range[Fe/H]），基于梯度陡度与金属度弥散之间的反相关关系，推导出形成径向金属度梯度∇[Fe/H](τ)。
• 假设Range[Fe/H]与∇[Fe/H](τ)之间呈线性关系，该假设通过包含10%不确定度的宇宙学聚焦模拟得到验证。
• 时间演化金属度分布[Fe/H](Rb, τ)直接从数据重建，使用公式(3)，其中[Fe/H](0, τ)来自表1，比例因子a = -0.08。
• 使用公式(4)计算恒星形成半径Rb，该公式将年龄、[Fe/H]与推导出的[Fe/H](0, τ)和∇[Fe/H](τ)关联，以推断Rb。
• 通过自举法估计Rb的不确定性，即在100次迭代中对年龄和金属度在其误差范围内进行扰动，并计算标准差。
• 通过测试梯度强度的变化对方法进行验证，结果表明仅当采用所选梯度（a = -0.08）时，才能产生物理解释的Rb分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否仅基于年龄与金属度即可恢复恒星形成半径，而无需假设化学演化模型？
• RQ2 形成金属度梯度的时间演化如何与盖亚-土星-恩赛勒达斯并合等重大银河系事件相关联？
• RQ3 基于太阳的年龄与金属度，其推断形成半径是多少？
• RQ4 单Rb群体是否能揭示在总体样本中不可见的隐藏恒星形成爆发？
• RQ5 径向迁移如何影响观测到的Rb分布与当前导引半径之间的关系？

主要发现

• 在110至80亿年前，形成金属度梯度从-0.07 dex/kpc陡增至-0.15 dex/kpc，与盖亚-土星-恩赛勒达斯并合事件相吻合。
• 太阳的形成半径为Rb = 4.5 ± 0.4 kpc（距银河系中心），为文献中最低估计值之一。
• 该方法直接从数据中恢复[Fe/H](Rb, τ)的时间演化，为化学演化模型提供了缺失的先验信息。
• 单Rb群体揭示了低[α/Fe]序列中的团块结构，这些结构与已知的恒星形成爆发一致，但在总体样本中则不明显。
• 仅当梯度强度设定为a = -0.08时，推导出的Rb分布才具有物理解释；若梯度更陡或更平，则年轻恒星的Rb分布会出现不合理的向内或向外偏移。
• Rb的中位不确定性为14%（0.72 kpc），方法在模拟验证中显示约10%的系统误差。