Abundances of iron-peak elements in disk and bulge giant stars from high-resolution optical spectra

Abstract

Context. The formation and evolution of the Galactic bulge and the Milky Way is still a debated subject. Observations of, e.g., the X-shaped bulge, cylindrical stellar motions and young stars in the bulge have suggested that the bulge formed through secular evolution of the disk and not through gas dissipation and/or mergers, as thought previously.\\
Data. We use high-resolution optical spectra of 291 K giants in the local disk obtained by the FIES spectrograph on the Nordic Optical Telescope (S/N = 80-100 for most of the disk spectra) and 46 K giants in the bulge obtained by the UVES/FLAMES spectrograph on the ESO Very Large Telescope (S/N = 10-80). \\
Aims. The goal of this work is to examine stellar samples from the thin and thick disk as well as the bulge and measure abundances of six iron-peak elements (Sc, V, Cr, Mn, Co and Ni). These can provide additional observational constraints for Galaxy formation and chemical evolution models and help to understand whether the bulge has emerged from the (thick) disk or not. \\
Methods. We determine the abundances in the Solar neighbourhood and bulge by synthesising line profiles using the programme Spectroscopy Made Easy (SME) and 1-D, spherically-symmetric MARCS model atmospheres under the assumption of local thermodynamic equilibrium (LTE). We also separate the thin and thick disk stellar populations according to their [Ti/Fe]-ratios and radial velocities using a Gaussian Mixture Model (GMM). Moreover, we apply NLTE corrections for Co as well.\\
Results. The [(Sc,V,Co)/Fe] vs. [Fe/H] trends show a clear separation between the disk components, being more enhanced in the thick disk. The same is observed for Ni but to a lesser extent. The trends of Sc, V and Co are also more enhanced in the bulge compared to the thick disk, whereas the [Ni/Fe] ratio is similar in the thick disk and the bulge. Our [Mn/Fe] ratio steadily increases with increasing metallicity at about the same rate in all the three components. For Cr, we find a flat trend around [Cr/Fe] $\sim$0 for the whole metallicity range in the disk and the bulge. We also observe a higher average metallicity in the bulge compared to the disk.\\
Conclusions. The significantly enhanced [(Sc,V,Co)/Fe] ratios that we determine from our data of stars in the bulge, suggest that the local thick disk and the bulge have experienced different chemical enrichment and evolutionary paths. %This could depend on a faster chemical enrichment in the bulge than in the thick disk due to, e.g., a faster star formation rate.
However, we are unable to predict the exact evolutionary path of the bulge solely based on these observations. Galactic chemical evolution models could, on the other hand, provide that using these results.

Popular Abstract (Swedish)

Solen och alla stjärnor som vi ser på natthimlen tillhör vår Galax - Vintergatan. Vintergatan är en spiralgalax med en utbuktning i dess centrum - bulben. För att förstå hur Vintergatan blev till måste man ha en bra uppfattning om bulbens ursprung. Under många år trodde vi att vi visste hur bulben och hela Galaxen hade formats, men ny teknologi, förbättrade teleskop och instrument samt simuleringar av galaxutvecklingen har visat oss att det inte var fallet. Förut trodde man att bulben formades våldsamt och snabbare än galaxskivan genom att gas föll in och formade ett sfäriskt klot. I detta fall skulle bulben sakna unga stjärnor, och stjärnorna skulle röra sig med slumpmässiga banor runt Galaxcentrum. Nya observationer har dock visat att bulben snarare är formad som ett ``X’’, att det finns en del mycket unga stjärnor, och att stjärnor rör sig som om de befinner sig i en osynlig cylinder. Allt detta tyder snarare på att bulben förmodligen uppstod från galaxskivan vid en dynamisk instabilitet som fick den att bukta ut i mitten.

Förutom stjärnornas åldrar, rörelser och formen på bulben, kan man även studera deras kemiska sammansättning för att få fler ledtrådar. Om bulben uppstod snabbt och oberoende av galaxskivan så kommer även stjärnornas sammansättning att skilja sig avsevärt i dessa delar av Vintergatan. En av svårigheterna med observationer av Vintergatans mitt är att den ligger långt bort från oss på ett avstånd som motsvarar ca 26 000 ljusår. Därför måste stjärnor som man observerar vara tillräckligt ljusstarka. Av denna anledning, är röda jättestjärnor (K-jättar) ett passande alternativ eftersom de är väldigt luminösa tack vare deras storlek. Dessutom lever de relativt länge och därför bevarar de informationen om den unga Vintergatan i sina grundämneshalter.

I vårt arbete, mäter vi halter av sex grundämnen som tillhör den så kallade ``järntoppen’’ i periodiska systemet: skandium (Sc), vanadium (V), krom (Cr), mangan (Mn), kobolt (Co) och nickel (Ni). Dessa grundämnen bildas i exploderande massiva stjärnor och vita dvärgar. Vi använder oss av högupplösta observerade spektra av 291 K-jättar i solens närhet samt 46 K-jättar i bulben. För att få fram halter, måste man jämföra observerade spektra med syntetiskt framtagna spektra som skapas utifrån modelatmosfärer med hjälp av atomdata. Eftersom diskstjärnorna har visat sig tillhöra två olika grupper, tunn och tjock disk, separerar vi dem beroende på deras kinematik och kemisk sammansättning av titan för mer homogen analys.

Genom att studera halttrender av ``järntopp’’-grundämnen i galaxskivan och bulben, ser vi att trender som tillhör Sc, V och Co samt även Ni, till en mindre grad, är mer förhöjda i tjocka disken jämfört med tunna.
Halterna av Sc, V och Co är ännu högre i bulben än i tjocka disken, medan Ni ligger på ungefär samma nivå i dessa två Galaktiska komponenter. Disk- och bulbtrenderna för Mn överlappar varandra helt och har liknande stigande lutning. Cr-trenderna är platta både i bulben och disken. Skillnaderna i Sc, V och Co i bulben och tjocka disken leder oss till slutsatsen att utvecklingen i dessa områden kan ha varit (något) annorlunda. Förmodligen har stjärnbildningen varit snabbare i bulben. Nu kan, alltså, vår data användas för att säga något om bulbens utveckling. Genom att modellera våra halttrender kan s.k. galaktiska kemiska utvecklingsmodeller sätta starkare villkor på händelseförloppen som ledde till bildandet och utvecklingen av bulben.

• author: Lomaeva, Maria
• supervisor: Nils Ryde; Henrik Jönsson
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization; Department of Astronomy and Theoretical Physics - Undergoing reorganization
• course: ASTM31 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2018-EXA133
• language: English
• id: 8949002
• date added to LUP: 2018-06-18 11:03:54
• date last changed: 2018-06-18 11:03:54