Shimako Yamada1

Takuma Suda2

Yutaka Komiya2

Masayuki, Y. Fujimoto1, 3 1: Hokkaido Uni., 2: NROJ, 3: Hokkaigakuen Univ.

Two modes of star formation in the Galaxy derived by the

Galactic archaeology

Galactic Archeology Near Field Cosmology

WMAP SUBARU

Fe / H[Fe / H] log

Fe / Hn nn n

e e

Most iron-poor star[Fe/H]=-5.6

• Formation and evolution of stars in the early universe• Nature of first stars and first supernovae• Galaxy formation process ⇔ IMF

?

• Extremely Metal-Poor (EMP) stars ([Fe/H] ≲ -2.5)= “Messengers from the early universe”

– Stars formed in the proto-galaxy in the early universe. and low-mass stars are still alive near to us.

(Type Ia の寿命より短い ) low-[Fe/H] の場合

② Supernova(SN) yields with metallicity dependence

[ ]XFe m

星の組成比から何がわかるのか？[ ] ([ ])FeX

Fe Hm[X/Fe] 平均値の変動差 : 星形成率

IMF超新星の Fe 依存性

星形成率

[ ]XFe m Type II SNe が多い 星形成率高いHigh-

Fe 生成小・寿命短い[ ]X

Fe m Type Ia SNe が多い 星形成率低いLow-Fe 生成大・寿命長い全ての元素に対して平均値の変動差が等しい

IMF 超新星の Fe 依存性必ずしも全ての元素に対して平均値の変動差は等しくない

本研究1. Milky Way の Enrichment history ( 鉄の増加に伴う星の組成比の変動 ) を調べる2. 星の元素組成の空間分布を調べた– SAGA database (http://saga.sci.hokudai.ac.jp) のデータ ( 星の元素組成 , 　位置 , 　速度 ) を使った

3. 解析で得られた、星形成率 , IMF, の情報から銀河形成過程を考える

2σ

[C/Fe]

t-value

[ ]CFe m

3σ

平均値

0.3 dex [Fe/H] bin 0.4 dex [Fe/H] bin 0.25 dex [Fe/H] bin

Enrichment history of Carbon

[Fe/H]

平均値 [X/Fe]m の差

平均値の差の誤差

2 21 2

1 2

1 2t-values sN N

X X

Welch’s t-test:2 つの母集団の平均値の有意差を検出する統計テスト

[Fe/H] ⋍ -1.8, -2.2 において有意水準 2-3σ を越える平均値の変動を検出

異なる [X/Fe]ave で特徴づけられた 4 つの種族[X/Fe]ave (dex)

Mg Si Ca Ti II Ni Co Zn

Pop IIa 0.34 0.43 0.29 0.32 0.00 0.45 0.44 UMP [Fe/H] <-3.2

Pop IIb 0.38 0.45 0.36 0.33 0.00 0.28 0.21 EMP -3.2<[Fe/H] <-2.2

Pop IIc 0.42 0.39 0.34 0.31 0.01 0.12 0.09 VMP-2.2<[Fe/H] <-1.8

Pop IId 0.36 0.31 0.30 0.26 -0.05 - 0.00 MP -1.8<[Fe/H] <-1

種族 主な支配領域

[X/Fe]ave ~ 0.1-0.2 dex の有意な平均値の差

[Fe/H] ⋍ -1.8,-2.2,-3.2 で有意な平均値の差を検出

有意な平均値の差： Δ[X/Fe]ave

Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -1.8

　　- C, Mg, Si, Ca, TiII, Ni, Zn(ALL 元素 )- Δ[X/Fe]ave ⋍ - 0.1 ( 同程度 )

Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -1.8

(Pop IIc Pop IId)

全ての元素に対して平均値の変動差が等しい 星形成率低いΔ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -3.2, -2.2 (Pop IIa Pop IIb Pop IIc)　　

- C, Co, Zn ([Fe/H] ⋍ -2.2; 特定の元素 )- Co, Zn ([Fe/H] ⋍ -3.2; 特定の元素 )

Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -2.2

Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -3.2

特定の元素に対して平均値の変動差が見られる IMF の変化 or　　 　 超新星の Fe 依存性

Distributions of stars along vertical distance from the Galactic disk (Z)

Concentrated

Extended

小　　　

　　　　

　[Fe

/H]　

　　　　

　　　大

MP

VMP

EMP

EMP

UMP

VMP, MP Disk 面に集中した成分UMP, EMPDisk 面から広がった成分が現れる

MP:-1>[Fe/H]>-1.8VMP:-1.8>[Fe/H]>-2.2EMP:-2.2>[Fe/H]>-3.2

UMP:-3.2>[Fe/H]

[Zn/Fe] の空間分布|Z|<500 pc |Z|>500 pc

Pop IId[Zn/Fe]=0

Pop IIc[Zn/Fe]=0.1

Pop IIb[Zn/Fe]=0.2 Pop IIc

[Fe/H]

[Fe/H]=-2.2

[Fe/H]

[Fe/H]=-2.2

0.1 dexUP

Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -2.2 (Pop IIb Pop IIc) IMF の変化 　 or 　超新星の Fe 依存性 Disk 面からの高さ ( 空間 ) に依存

Hierarchical Galaxy Formation

HERMES program(Hierarchical Evolution Researcher by MEtal-poor Stars)

Early chemical evolution with•Structure formation •Top heavy IMF •Binary •Accretion of ISM•First star

1) ハローの衝突・合体プロセスによる銀河形成

Mini-halos ~106 M☉

中心ポテンシャル大Pre-Galaxy

Gas, stripped off their host halos and trapped in Pre-Galaxy

2 ） Gas clouds moving in the gravitational fields of pre-Galaxy to be flattened & form disk-like structure.

Low-mass

Disk 面に集中した成分星形成サイト：

High-mass/top-heavy

Disk 面から広がった成分星形成サイト：

Pre-Galaxy

Pop IIc,Pop IIdPop IIa, Pop IIb Disk 形成

Two mode of star formation

Host-halo

Host-halos

IMF

Pre-Galaxyflattened & disk-like structures

High-mass/top-heavy

Host-halos

Low-mass or no top-heavy

Pre-Galaxy

IMF

Summary• C, Mg, Si, Ca, Ti II, Co, Ni, Zn の Enrichment histories を調べた• [Fe/H] ⋍ -1.8,-2.2,-3.2 で有意な平均値の差 (Δ[X/Fe]m) を検出• 異なる [X/Fe]ave で特徴づけられた 4 つの種族 を同定

• Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -1.8 (Pop IIc Pop IId)– 全ての元素で同程度の Δ[X/Fe]ave~0.1 dex 星形成率低い

• Δ[X/Fe]ave at [Fe/H] ⋍ -2.2 (Pop IIb Pop IIc) – 特定の元素で変動が見られる　 & 空間分布に依存 IMF の変化

種族 Pop IIa Pop IIb Pop IIc Pop IIdUMP

[Fe/H] <-3.2EMP

-3.2<[Fe/H] <-2.2VMP

-2.2<[Fe/H] <-1.8MP

-1.8<[Fe/H] <-1IMF Top-heavy /High-mass Low-mass

空間分布 Disk 面から広がった成分 Disk 面に集中した成分

主な支配領域