[论文解读] Two distinct halo populations in the solar neighborhood. III. Evidence from stellar ages and orbital parameters

W. J. Schuster, E. Moreno+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 102被引用 62

一句话总结

本研究利用恒星年龄和轨道参数，在太阳邻域识别出两个不同的富金属晕族：'高α'恒星年龄更老（11–12 Gyr），轨道紧密受限（r_max ≈ 16 kpc，z_max ≈ 6–8 kpc）；而'低α'恒星年龄更年轻（8–10 Gyr），轨道高度偏心且延伸广泛（r_max ≈ 30–40 kpc，z_max ≈ 18 kpc）。结果支持双重形成机制：高α恒星为原位形成，而低α恒星则可能来自矮星系的并合（可能包括ω Cen）。

ABSTRACT

In Papers I and II of this series, the existence of two distinct halo populations of stars have been found in the solar neighborhood. Precise relative ages and orbital parameters are determined for 67 halo and 16 thick-disk stars having metallicities in the range -1.4 < [Fe/H] < -0.4 to better understand the context of the two halo populations in the formation and evolution of the Galaxy. Ages are derived by comparing the positions of stars in the logT_{eff}-log(g) diagram with isochrones from the Y^2 models interpolated to the exact [Fe/H] and [alpha/Fe] values of each star. Possible systematic errors in T_{eff} and log(g) are considered and corrected. With space velocities from Paper I as initial conditions, orbital integrations have been carried out using a detailed, observationally constrained Milky Way model including a bar and spiral arms. The `high-alpha' halo stars have ages 2-3 Gyr larger than the `low-alpha' ones. The orbital parameters show very distinct differences between the `high-alpha' and `low-alpha' halo stars. The `low-alpha' ones have r_{max}'s to 30-40 kpc, z_{max}'s to approx. 18 kpc, and e_{max}'s clumped at values greater than 0.85, while the `high-alpha' ones, r_{max}'s to about 16 kpc, z_{max}'s to 6-8 kpc, and e_{max} more or less uniformly distributed over 0.4-1.0. A dual in situ-plus-accretion formation scenario best explains the existence and characteristics of these two halo populations, but one remaining defect is that this model is not consistent regarding the r_{max}'s obtained for the in situ `high-alpha' component; the predicted values are too small. It appears that omega Cen may have contributed in a significant way to the existence of the `low-alpha' component; recent models, including dynamical friction and tidal stripping, have produced orbital parameters as great as those of the `low-alpha' component.

研究动机与目标

• 确定太阳邻域富金属晕星与厚盘星的精确恒星年龄和轨道参数。
• 通过[α/Fe]与[Fe/H]图解解析先前研究中识别出的两个不同晕族的起源。
• 检验观测到的运动学与年龄差异是否可由包含原位形成与矮星系并合的双重形成情景解释。
• 评估ω Cen及其他矮星系在低α晕族形成中的作用。

提出的方法

• 通过将观测到的log T_eff – log g位置与Y²恒星演化等龄线进行比较，插值至每颗恒星的确切[Fe/H]和[α/Fe]值以推导年龄。
• 利用先前分析中的光谱数据评估并校正有效温度与表面重力的系统误差。
• 通过使用包含旋转旋臂和棒结构的详细银河系模型进行轨道积分，计算轨道参数（r_max, z_max, e_max）。
• 轨道积分的初始条件基于论文I中的空间速度，结合观测运动学与化学丰度。
• 该模型纳入了银河系势能的观测约束，包括并合系统的动力摩擦与潮汐剥离。
• 针对ω Cen类前身体运行对比模拟，以检验其与低α族观测轨道极端值的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在[α/Fe]与[Fe/H]图解中识别出的两个富金属晕族（高α与低α）在年龄与轨道动力学上是否存在显著差异？
• RQ2 观测到的年龄与轨道差异是否可由包含原位形成与矮星系并合的双重形成情景解释？
• RQ3 低α族的轨道范围是否与起源于像ω Cen这样的大质量、已瓦解矮星系一致？
• RQ4 为何低α序列尽管可能来自多个并合矮星系，却表现出有限的化学弥散？

主要发现

• ‘高α’晕星比‘低α’星年老2–3 Gyr，年龄分别为11–12 Gyr与8–10 Gyr。
• ‘低α’星表现出极端轨道特性：r_max ≈ 30–40 kpc，z_max ≈ 18 kpc，且e_max > 0.85，表明其具有高度偏心、贯穿整个晕的轨道。
• ‘高α’星具有更受限的轨道：r_max ≈ 16 kpc，z_max ≈ 6–8 kpc，且e_max在0.4至1.0之间均匀分布。
• ‘低α’族的轨道参数与起源于类似ω Cen的大型并合系统一致，尤其在考虑动力摩擦与潮汐剥离时。
• 原位形成模型无法重现‘高α’星的观测r_max值，表明需重新审视形成势能的假设。
• 低α序列中化学弥散有限（例如，Δ[α/Fe] ≈ 0.04–0.06 dex），暗示其可能具有共同起源或高度相似的恒星形成历史，对朴素的分层并合模型构成挑战。