Large Surveys and Data-Driven Investigations of Radial Migration

Abstract

We probe the implications of 5 different previously developed models of the evolution of the Milky Way’s radial metallicity gradient for radial migration of stars observed today between 5kpc < R < 12kpc. Our sample contains 7167 giant stars, with metallicities and radial velocities obtained from APOGEE DR14, full 5-parameter kinematic information from Gaia DR2, and ages derived in Martig et al. 2016. Guided by the radial metallicity histories provided by these models, we are able to match stars with known age and metallicity to implied birth locations, using the fact that stars retain the metallicity of the medium from which they formed. The difference between the stars current radius and birth radius, R − RB , provides us with a metric for measuring migration distance. We are then able to conduct a meta-analysis—both qualitative and quantitative—of the migratory distances which result from the different models employed. We find that the results from each model are largely in good agreement, and their differences, if any, are subtle. In particular, we attempt to separate the effects of the two processes collectively called “radial migration”: blurring and churning. We find that churning causes large radial displacements early in a star’s lifetime, but both churning and blurring behave diffusively, and in similar magnitude, beyond this initial movement. Furthermore, the models collectively predict that a minimum 55% of stars have experienced churning, and that only 5% of stars remain at their birth radii today.

Popular Abstract (Swedish)

Alla stjärnorna förflyttar sig över stjärnhimlen men det är omöjligt att märka här på jorden. Du kan vänta utan att blinka i hundra år, men kommer aldrig att kunna se någon skillnad. Deras tindrande sken ter sig orubbliga, som evigt gjutna fast i samma position på himlavalvet. Sanningen är den att stjärnorna är alldeles för långt borta för att vi ska kunna urskilja deras förflyttningar. För att vi ska kunna mäta dessa osynliga rörelser måste vi använda teleskop. Lyckligtvis har många teknologiska förbättringar gjorts den senaste tiden, vilket gör sådana här mätningar lättare än någonsin.

I april 2018 släpptes Gaia samarbetet, ett enormt dataset med mätningar av avstånd, rörelser och positioner till fler än 1,3 miljard stjärnor---ett mycket större urval än någonsin tidigare. Tack vare dessa mätningar har vi astronomer tillräckligt mycket information för att börja kartlägga Vintergatan i större detalj. Ifall vi vet allt om hur en stjärna har rest, dess position samt vart och hur snabbt den rör på sig, kan vi förutsäga var den kommer att befinna sig i framtiden. Oavsett om det är imorgon eller om 100 miljoner år. Med detta i åtanke borde vi också kunna säga någonting om varifrån stjärnan kom ifrån. Det finns dock en liten skillnad mellan att förutsäga vart en stjärna ska färdas och att klura ut var den brukade vara - och om en stjärna behöll samma bana under hela sin livstid skulle man kunna spåra den tillbaka till dess ursprung. Olyckligtvis är det inte så pass enkelt i praktiken.

Liksom jorden kretsar kring solen i en cirkulär bana, kretsar stjärnorna kring Vintergatans mittpunkt, åtminstone när de föds. Medan stjärnorna reser stöter de på många andra massiva objekt som överlappar eller korsar varandras banor. Kommer stjärnan och objektet tillräckligt nära varandra ändras deras hastigheter vilket får stjärnans bana att ändra riktning och bli mer elliptisk, snarare än cirkulär. Fastän dessa hastighetsförändringar påverkar banans riktning, påverkas inte stjärnans rörelseenergi. Detta gör det möjligt för att finna banans ursprungliga form.

Tyvärr är det fortfarande inte fullt ut så enkelt, det finns nämligen fler sätt än nära sammanstötningar för att påverka ett objekts bana. Vintergatans spiralarmar roterar runt galaxcentrum, oberoende av stjärnorna. När armarna passerar en stjärna, eller en stjärna passerar armarna, påverkas stjärnans total energi. Om stjärnan är snabbare än spiralarmarna dränerar armarna energi från stjärnan som börjar glida in mot galaxcentrum. Och tvärtom, en stjärna som färdas långsammare än spiralarmarna får mer energi och glider utåt. En stjärnas energi är således inte nödvändigtvis likadan som när den föddes och vi kan inte spola tillbaka tiden för att hitta dess ursprungliga position.

Men det är ändå viktigt att veta var stjärnor kommer ifrån för att förstå hur Vintergatan blev till. Eftersom vi inte kan veta de exakta positionerna, kan vi istället försöka få en större förståelse för hur de förflyttar sig i galaxen. Då kan vi börja ställa oss frågor som “Hur många stjärnor har tappat sin cirkulära bana?”, “Hur många har påverkats av spiralarmarna?” och “Hur långt har de hunnit flytta under sin livstid?”. Genom den här undersökningen har vi fått svar på många av dessa frågor. Det verkar nu som flest stjärnor påverkats av spiralarmarna och därmed förflyttat sig bort ifrån deras ursprungliga positioner. Möjligtvis fler än 55%. Vi har dessutom upptäckt att bara en av tjugo stjärnor inte har förflyttat sig alls. Dock är det inte helt självklart hur långt stjärnorna faktiskt har förflyttat sig och vi måste fortsätta forska för att kunna lösa denna viktiga fråga.

• author: Bowers, John Bradley
• supervisor: Sofia Feltzing
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2019-EXA143
• language: English
• id: 8979329
• date added to LUP: 2019-06-10 12:18:30
• date last changed: 2019-06-10 12:18:30