基于大规模银河系巡天的（超）高速恒星起源研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 李清政
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| 答辩日期 | 2024 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 董小波 |
| 关键词 | 运动学和动力学 暗物质晕 超高速恒星 中等质量黑洞 矮星系 |
| 学位专业 | 天体物理 |
| 其他题名 | Study on the origins of hyper- and high-velocity stars based on large-scale Galactic surveys |
| 英文摘要 | 银河系的恒星存在总速度（V_GSR）大于300 km/s的高速恒星（HiVel）。其中，速度介于300km/s和逃逸速度（V_esc）之间、被银河系引力束缚的高速恒星是探测银河系引力势或其质量分布最可靠的示踪天体。速度超过V_esc的未束缚恒星被称为超高速恒星（Hyper-velocity star; HVS），它们的运动轨迹可为探测银河系质量分布、暗物质晕形状提供有力的限制。这些HiVel/HVS的起源和弹射机制联系着极端的天体物理过程，例如大质量黑洞瓦解双星系统（Hills机制）、潮汐剥离矮星系成员星等。为此，我们基于Gaia天体测量数据与大规模光谱巡天数据（GALAH、APOGEE、RAVE、SDSS、LAMOST）构建HiVel/HVS大样本，并开展系统性的溯源分析以揭示HiVel/HVS的起源（或弹射机制）。首先，我们基于APOGEE DR17构建了包含46,753颗恒星的径向速度（RV）标准星样本，用于检测和校正大规模光谱巡天项目的RV零点（RVZP）。这些恒星几乎均匀地覆盖了全天，其中62%是红巨星，38%是主序星。这些RV标准恒星在超过200天（54%长于一年，10%长于五年）的时间基线上保持稳定，RV的平均稳定性优于215 m/s。它们的平均观测数量为5次，每次观测的信噪比（SNR）大于50，RV测量误差小于500m/s。基于构建的APOGEE RV标准星表，我们检查了包括RAVE、LAMOST、GALAH和Gaia在内的RVZP。通过仔细的分析，它们的平均RVZP分别为+0.149 km/s、+4.574 km/s（对于LRS）、-0.031 km/s和+0.014 km/s。在RAVE、LAMOST（对于MRS）、GALAH和Gaia中，RVZP呈现出随恒星参数（主要是[Fe/H]、Teff、log g 、G_BP-G_RP和G_RVS）的系统趋势。校正这些存在于大规模光谱巡天中的虽小但清晰的RVZP，对于构建高质量HiVel/HVS样本以及开展溯源分析至关重要。其次，我们从RAVE DR5、SDSS DR12、LAMOST DR8、APOGEE DR16、GALAH DR2和Gaia EDR3的交叉数据中证认了12,784颗总速度V_GSR >= 300 km/s的HiVel样本。样本中，52个颗恒星V_GSR超过所在位置的逃逸速度，它们是HVS候选体（其中40个是我们首次发现）。有趣的是，所有的HVS都是贫金属和晚型恒星，与之前仅通过径向速度证认的HVS明显不同，后者主要是大质量、富金属的早型恒星。这一发现表明，我们新发现的HVS与之前证认的富金属早型HVS可能来自不同的弹射机制。再次，我们系统分析HiVel/HVS的起源和弹射机制。为了研究它们，我们重建样本中547颗V_GSR >= 0.8 V_esc的HiVel/HVS回溯轨道。根据轨道分析，我们没有发现从银心弹射出来的HVS，仅发现8颗晚型贫金属HiVel与银心的最近距离在1 kpc以内。有趣的是，我们发现15颗晚型HiVel与银河系的卫星星系Sgr dSph有过近距离相遇，这表明它们可能从Sgr dSph起源。[alpha/Fe]-[Fe/H]分析也支持它们起源于Sgr dSph。其中，最典型的一个HVS是J1443+1453。通过回溯轨道分析，我们发现J1443+1453与Sgr dSph在过去37.8 Myr近距离相遇，相遇位置位于Sgr dSph围绕银河系的近心点附近。J1443+1453的化学性质也表明它可能是Sgr dSph的成员。这些结果强烈表明，J1443+1453最有可能是Sgr dSph在穿过近心点附近时被银河系潮汐力剥离的HVS；如果Sgr dSph寄宿着大质量/中等质量黑洞，那么它也有可能是被Hills机制所弹射。我们把轨道回溯分析和化学丰度分析尽可能扩展到所有高速星，初步的分析结果也支持它们的矮星系或星团起源。而且，我们还发现一颗HiVel（J0731）最有可能是通过Hills机制从球状星团M15中弹射（见下述）。基于上述发现，我们提出了关于HiVel/HVS起源的一种普遍的图像：通过潮汐剥离（或者甚至是通过Hills机制）从银河系子系统弹射出成员恒星，是产生HiVel/HVS的一个重要渠道，特别是晚型贫金属HiVel/HVS。最后，我们详细分析了J0317起源于球状星团M15的情形。J0731与M15的回溯轨道在21 Myr前近距离相遇，最近距离为58 pc，小于M15的潮汐半径（132 pc）。J0731的金属丰度[Fe/H]和[alpha/Fe]均与M15高度一致。此外，它在颜色—绝对星等图上的位置正好落在M15成员星的基准序列上。这些观测证据强烈表明J0731的前身与M15存在关联，通过估算得到的关联置信水平为5.4 sigma。J0731的弹射速度为V_ ej = 548 km/s，我们根据J0731和M15的观测数据排除了其它的弹射机制，最有可能被位于M15中的黑洞通过Hills机制弹射，并且需要质量大于100 Msun（可信度为99.999%) 的中等质量黑洞（IMBH）才能弹射J0731。IMBH的观测发现，将填补恒星级黑洞和超大质量黑洞之间的空白地带，而且将极有利于SMBH起源问题的解决。当前的观测设备很难直接从动力学上分辨出IMBH的存在迹象及其对星系观测量的影响。我们的发现的表明：通过寻找起源于星团的HiVel/HVS去证认IMBH，是一条可行且清晰的途径。我们预计在盖亚和大规模光谱巡天时代通过该途径将会发现更多的IMBH。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28048]  |
| 专题 | 云南天文台_丽江天文观测站（南方基地） |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李清政. 基于大规模银河系巡天的（超）高速恒星起源研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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