From the bulge region to the outer disk: Tracing the α-enhancement level in the Galactic thin and thick disks

Abstract

One of the biggest mysteries astronomers wish to unveil is the formation and evolution of galaxies. Properties of our own galaxy, the Milky Way, can provide great insight into these. The star formation rate (SFR) and whether it varies with distance from the galactic centre (GC), is one of these properties. Studies indicate that the SFR is higher in the bulge region than in the local thick disk of our galaxy. One would expect it to continue to decrease outwards since the gas density is lower further away from the GC.

This thesis aims to trace the SFR "knee", which is an indication of SFR when analysing the α-element abundances of a star. In this study, we will investigate if the knee's position changes for stars residing in different regions of the Milky Way.

To trace the position of the knee, generalised Gaussian distributions were constructed for the α-element abundances in different [Fe/H] intervals. The peaks of these could then be used to pinpoint where the star-count was largest in each individual metallicity interval. The knee appears most prominent in the [Mg/Fe] abundance trend, which was therefore chosen as the focus of the analysis. Data from APOGEE DR16 will be used, which also contains Bailer-Jones distance estimates from Gaia DR2.

Stars believed to have originated from mergers were excluded. These are not of interest since the study only wishes to trace the α-abundance trends of the Milky Way itself. Furthermore, to avoid any selection bias, only giants were included, since dwarfs are intrinsically fainter and difficult to observe at greater distances.

The results found that the knee in the abundance trends of [Mg/Fe] with [Fe/H] seemed shifted to higher metallicities towards the GC, which implies a varying SFR throughout the Milky Way. However, this shift is only found if we look at the shift of the slope itself. Previous studies have also found that the bulge region has elevated [α/Fe] abundances at higher [Fe/H], compared to the local thick disk. An estimated shift of [Fe/H]≈+1.0 was found, in accordance with the results of other studies. The results also found that the IMF appeared larger in the bulge region than in the local thick disk.

In conclusion, the study found that the bulge region could have had a higher SFR and IMF than the local thick disk. These are indicators that they are separate components, and that the bulge region is not solely a superposition of thick disk, thin disk, halo, and bar components. Instead, it could be a separate component with its own stellar population.

Popular Abstract (Swedish)

I vårt stora, komplexa universum är det uppskattat att det finns ungefär två biljoner galaxer. Just vår hemgalax, Vintergatan, ligger mellan de två typiska galaxpopulationerna, i den så kallade "gröna dalen". Galaxer i den gröna dalen är i en fas mellan att aktivt bilda stjärnor och att vara döda. I och med detta så kan vi lära oss mycket om galaxers utveckling genom att studera Vintergatan och dess egenskaper.

Något som är viktigt att bestämma är stjärnbildningshastigheten, d.v.s. hur snabbt nya stjärnor föds från stjärnstoftet i galaxen. Ju tätare gasen är, desto fler stjärnor bildas. Vid något tillfälle i ens liv brukar man få höra att vi alla är gjorda av stjärnstoft. Detsamma gäller även för stjärnorna själva, som föds från det material döda stjärnor tillverkat. I och med att gasen är som tätast i Vintergatans center och minskar allteftersom man närmar sig galaxens utkant, så förväntas stjärnbildningshastigheten avta längre ut.

Det som man sett är att den tjocka disken, om den existerar inne i Vintergatans centrala region (d.v.s. bulgen), verkar vara aningen mer anrikad i alfa-grundämnen än vad man observerar i den tjocka disken i solens närhet. Det är oklart vad det beror på, eller om det ens är riktigt att så är fallet. Detta projekt går ut på att undersöka det.

Ett tillvägagångssätt att uppskatta stjärnbildningshastigheten på är att jämföra trender för alfa-grundämnen med järnhalter. Alfa-grundämnen tillverkas bara av massiva stjärnor, medan järn tillverkas av stjärnor av alla storlekar. När stjärnor dör i supernovaexplosioner så skickas dessa ämnen ut och berikar gasen i galaxen. Små stjärnor lever betydligt längre än massiva stjärnor, vilket betyder att det tar längre tid innan galaxen blir berikad av järngas från de små stjärnorna. När detta väl sker så ändras förhållandet mellan alfa-grundämnen och järn i gasen som nya stjärnor bildas av. Det innebär att unga stjärnor har högre järnhalter och lägre alfa-grundämneshalter, jämfört med äldre stjärnor.

Som ett resultat av detta så uppkommer ett "knä" i fördelningen av stjärnor när man undersöker deras alfa-grundämneshalter med järnhalter. Det alfa-grundämnet som ger upphov till ett mer markant knä än de andra är magnesium. Därmed så valdes magnesium som fokuspunkt i analysen. Beroende på hur hög järnhalten är när knäet framstår så kan man uppskatta den relativa stjärnbildningshastigheten mellan olika regioner.

I detta projekt framgick det som att stjärnbildningshastigheten möjligtvis är högre närmre Vintergatan mittpunkt än i solens närhet. Detta stämmer överens med tidigare studier och är alltså ytterligare en indikation att det kan stämma. Huruvida detta resultat är påverkat av faktorer så som stjärnors rörelser inåt eller utåt i galaxen är svårbesvarade, men viktiga, frågor.

• author: Sandvik, Elin
• supervisor: Thomas Bensby
• organization: Lund Observatory - Undergoing reorganization
• course: ASTK02 20201
• year: 2020
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Chemical abundance, star formation rate, initial-mass function, APOGEE, Milky Way
• publication/series: Lund Observatory Examensarbeten
• report number: 2020-EXA165
• language: English
• id: 9020382
• date added to LUP: 2020-06-22 10:12:14
• date last changed: 2020-06-22 10:12:14