[论文解读] Vertical distribution of Galactic disk stars I - Kinematics and metallicity

C. Soubiran, O. Bienaymé+1 more|ArXiv.org|Oct 29, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 26被引用 162

一句话总结

本研究基于在上普罗旺斯天文台使用ELODIE仪器对北天银极区域近400颗红巨星的高分辨率光谱调查，精确测定了其运动学、金属丰度和距离。研究对古老薄盘与厚盘成分进行了去卷积分析，发现厚盘具有中等程度的旋转滞后（$-51 \pm 5\ \mathrm{km\,s^{-1}}$），速度弥散度较高（$σ_U = 63 \pm 6$，$σ_V = 39 \pm 4$，$σ_W = 39 \pm 4\ \mathrm{km\,s^{-1}}$），平均金属丰度为[Fe/H] = $-0.48 \pm 0.05$，本地归一化值为15% $\pm$ 7%，表明厚盘在银河系中的比例高于以往估计。

ABSTRACT

Nearly 400 Tycho-2 stars have been observed in a 720 square degree field in the direction of the North Galactic Pole with the high resolution echelle spectrograph ELODIE. Absolute magnitudes, effective temperatures, gravities and metallicities have been estimated, as well as distances and 3D velocities. Most of these stars are clump giants and span typical distances from 200pc to 800pc to the galactic mid-plane. This new sample, free of any kinematical and metallicity bias, is used to investigate the vertical distribution of disk stars. The old thin disk and thick disk populations are deconvolved from the velocity-metallicity distribution of the sample and their parameters are determined. The thick disk is found to have a moderate rotational lag of -51+-5 km/s with respect to the Sun with velocity ellipsoid (sigma_U, sigma_V, sigma_W)=(63+-6, 39+-4, 39+-4) km/s, mean metallicity of [Fe/H]=-0.48+-0.05 and a high local normalization of 15+-7%. Combining this NGP sample with a local sample of giant stars from the Hipparcos catalogue, the orientation of the velocity ellipsoid is investigated as a function of distance to the plane and metallicity. We find no vertex deviation for old stars, consistent with an axisymmetric Galaxy. Paper II is devoted to the dynamical analysis of the sample, puting new constraints on the vertical force perpendicular to the galactic plane and on the total mass density in the galactic plane.

研究动机与目标

• 获取一个无偏见、高精度的盘状恒星样本，覆盖距离银道面达800 pc的范围，以研究其运动学与金属丰度分布。
• 利用非信息性混合模型从速度-金属丰度分布中分离出古老薄盘与厚盘成分。
• 与以往研究相比，更精确地测定厚盘的运动学参数、金属丰度及相对归一化值。
• 研究速度弥散张量的取向如何随银道面上方高度及金属丰度变化，检验银河系盘的轴对称性。
• 为论文II的动力学分析提供基础，包括银道面内垂直力与质量密度的约束。

提出的方法

• 利用ELODIE仪器在720平方度的北天银极区域进行高分辨率阶梯光谱观测，以获取径向速度、有效温度、表面重力及金属丰度。
• 使用TGMET软件通过将实测光谱与经验光谱参考库交叉相关，估算大气参数与绝对星等。
• 通过绝对星等估算确定距离，对距离为400 pc的恒星，典型精度达18%。
• 应用非信息性高斯混合模型，基于其运动学与金属丰度分布，将薄盘与厚盘成分分离。
• 将NGP样本与本地Hipparcos恒星样本中的红巨星结合，研究速度弥散张量的顶点偏差随金属丰度与银道面距离的变化。
• 将观测分布与Besançon银河系模型的模拟结果进行比较，以验证所推导的盘状恒星参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于一个同质且无偏见的红巨星样本，本研究中厚盘在太阳邻域的精确运动学与金属丰度参数是什么？
• RQ2 速度弥散张量的取向如何随银道面上方高度与金属丰度变化？这对银河系盘的轴对称性有何启示？
• RQ3 厚盘相对于薄盘的本地归一化值是多少？与以往估计相比如何？
• RQ4 观测到的运动学与金属丰度分布更可用中等厚盘模型还是更极端的模型来解释？这与形成理论有何关联？
• RQ5 颜色与星等裁剪在多大程度上能有效分离出红巨星？其中仍存在多少矮星或亚巨星的污染？

主要发现

• 厚盘相对于太阳的旋转滞后为$-51 \pm 5\ \mathrm{km\,s^{-1}}$，表明其旋转速度慢于本地标准运动。
• 厚盘的速度弥散张量为$σ_U = 63 \pm 6$，$σ_V = 39 \pm 4$，$σ_W = 39 \pm 4\ \mathrm{km\,s^{-1}}$，表明其为动力学“热”成分。
• 厚盘的平均金属丰度为[Fe/H] = $-0.48 \pm 0.05$，处于以往估计的金属丰度较高一端。
• 厚盘的本地归一化值为15% $\pm$ 7%，显著高于以往研究中通常假设的2–7%。
• 在薄盘参数中未观测到明显的垂直梯度，表明其动力学特性在采样高度范围内保持一致。
• 低金属丰度（古老）成分的顶点偏差为零，支持银河系盘具有轴对称性的假设；而高金属丰度样本显示出微小的正偏差。