Curso de Astronomía Galáctica y Extragaláctica: El Halo Estelar...Curso de Astronomía Galáctica...

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Curso de Astronomía Galáctica y Extragaláctica: El Halo Estelar Cecilia Mateu J. Montevideo, 8 de octubre 2019 Universidad de la República - Instituto de Física

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Curso de Astronomía Galáctica y Extragaláctica: El Halo Estelar

Cecilia Mateu J.

Montevideo, 8 de octubre 2019

Universidad de la República - Instituto de Física

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A familiar sketch

Thick Disk

Thin Disk

Sun

Stellar Halo

Dark Halo

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4

Thin and Thick Disc Sun

Halo

Bulge

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The Galactic Halo

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Stellar population

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The Halo: Metallicity Distribution Function

• Stars in the stellar Halo are metal-poor, the majority having [Fe/H]~-1.7 (e.g. Carollo et al. 2010, Prantzos et al. 2009)

• The most metal-poor stars in the Galaxy are found in the stellar Halo. The metallicity spans the range

-3.5 ≤ [Fe/H] ≤ -0.6

Halo

Carney et al. 1994

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Metallicity Distributions for Galactic Populations

Thick Disk

Halo

Thick Disk

Thin Disk

Abundances from Gilmore et al. (1995), Carney et al. (1994), Wyse & Gilmore (1995) Fullbright et al. (2000)

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Resumen de Propiedades del Disco Grueso (DG) Galáctico

Halo Thick Disk

• Stars in the stellar Halo are metal-poor, the majority having [Fe/H]~-1.7 (e.g. Carollo et al. 2010)

• Stars in the Galactic Halo are old, with ages ~12-13 Gyr

• Again, its difficult to know whether the younger Halo stars are older than the Thick Disk or not

•Wyse (2009) use kinematically selected MS turn-off (TO) stars to study the (g-r) color as a function of [Fe/H]

• Remember that for a given metallicity, bluer TO means younger age

Kinematically selected MS turn-off stars (Wyse 2009)

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The Halo: Stellar Population

• The Stellar Halo has an old stellar population, with an age of ~12-13 Gyr (almost as old as the Universe)

• There is no current star formation and no gas or dust in the Halo

Theoretical H-R diagram

Newberg et al. 2002 From

Bru

zual

& Ch

arlo

t 200

3 m

odels

Observed H-R diagram

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The Gaia DR2 H-R diagram: Halo+Discs• Gaia DR2 stars with parallax errors <20% and low extinction

• Approx. 4 million stars

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• Gaia DR2 stars with parallax errors <20% and low extinction, + kinematic selection:

• selected stars with large total velocity with respect to the Sun (>200 km/s)

• ~116000 stars

The Gaia DR2 H-R diagram: Halo

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• Gaia DR2 stars with parallax errors <20% and low extinction, + kinematic selection:

• selected stars with large tangential velocity with respect to the Sun (>200 km/s)

• ~64000 stars

•Halo population: old and metal poor

The Gaia DR2 H-R diagram: Halo

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The Gaia DR2 H-R diagram: Halo• Gaia DR2 stars with parallax errors <20% and low extinction, + kinematic selection:

• selected stars with large tangential velocity with respect to the Sun (>200 km/s)

• ~64000 stars

•Halo population: overall old and metal poor

•clearly two Halo populations:

• first isochrone fits:

•13 Gyr, [M/H]=-1.3

•11Gyr, [M/H]=-0.7

•More details on the interpreation of this later

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The Halo: The Globular Cluster System

• Globular clusters are ~spherically distributed around the Galactic center, out to a radius of about 50 kpc

• Metal-poor globular clusters ([Fe/H]<-0.8) are kinematically associated with the Halo

• Metal-rich globular clusters ([Fe/H]>-0.8) lie close to the Galactic center and are kinematically associated with the Bulge

Zinn (1985)

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Age-Metallicity Relationships for Galactic Populations

Freeman 1999

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Spatial distribution: density profile

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Coordinate systems

• Heliocentric galactic coordinates:

• (l,b) = longitude, latitude (spherical)

• XYZ = cartesian coordinates:

• Z=perpendicular to Galactic Plane • X= Sun-Galactic Center (points

towards GC, or away) • Y= direction of Galactic rotation

• UVW = cartesian velocities

• U = vel. in X direction • V = vel. in Y direction • W = vel. in W direction

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Reference frames

• Local Standard of Rest:

• reference frame of stars in the Solar Neighbourhood (D<~100pc-1kpc (?)

• defined by the mean motion of stars in the vicinity of the Sun

• the LSR does not coincide with the Sun, so the Sun has a velocity w.r.t the LSR, this is called peculiar motion of the Sun with respect to the LSR :

• (U⊙,V⊙,W⊙)LSR=(11.1,12.2,7.3) km/s (Katz et al. 2018, Gaia DR2)

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Reference frames

• Galactic Standard of Rest (GSR):

• reference frame of stars at rest with respect to the center of the Galaxy

• (U,V,W)LSR=(0.,240.,0.) km/s. -> the LSR rotates around the Galactic Center (GC) at 240 km/s

• peculiar motion of the Sun with respect to the LSR:

• (ULSR,VLSR,WLSR)GSR=(0,240.,0) km/s (Katz et al. 2018, Gaia DR2)

• in this frame UVW are also sometimes called Vx,Vy,Vz to differentiate from UVW

• VLSR is the circular velocity at the “solar radius”(=distance from the Sun to GC)

• TAREA: calcular el período orbital del Sol alrededor de centro galáctico

GSR

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Coordinate systems

• Galactocentric coordinates:

• Cylindrical Coordinates

• Also used:

• Spherical coordinates

• Cartesian coordinates = same as heliocentric but with origin at Galactic Center • Z=perpendicular to disc • X= +/-Sun-GC • Y= +/-galactic rotation • note: Xsun= +/-8.35kpc

(R, z, ϕ)

(r, ϕ, θ)

Sparke & Gallagher, Galaxies in the Universe

Xsun

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Density profile

• The density profile describes how the true number density of stars changes with position across the Galaxy

• = # of stars / kpc3

• This is (usually) different than the observed number of stars because any given survey is rarely 100% complete

• The selection function or completeness function describes the fraction of objects a survey observes in a given line of sight

• different for each survey, depends on survey design

• it typically depends on the magnitude and color of the stars

ρ = ρ( ⃗r )

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The Halo Density Profile

Average Halo RR Lyrae density profile from Vivas & Zinn (2006)

✦ Halo density profile

with q=constant up to R~20kpc

or variable according to the expression

(Preston, 1991)

With different tracers, in particular RR Lyrae stars, but also BHB, MSTO, etc.

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Substructure in the Galactic Halo

Halo RR Lyrae density profile in different lines of sight. (Vivas & Zinn 2006)Watkins et al. (2009)

• On average the Halo is well described by a power-law density profile

• However, a lot of substructure has been observed with different tracers: the Sgr dSph tidal tails, the Virgo Overdensity, Pisces Overdensity, G-D streams, Monoceros Stream, etc, etc...

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Substructure in the Galactic Halo

Majewski (2003)

Belokurov (2006)

• A lot of substructure has been observed with different tracers: the Sgr dSph tidal tails, the Virgo Overdensity, Pisces Overdensity, G-D streams, Monoceros Stream, etc, etc...

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The Thin + Thick Disks: Structure

• The number density profile for stars in the Galactic disk can be described by a double exponential

Z (pc)

From the thick disk discovery paper of Gilmore & Reid (1983)

• Gilmore & Reid (1983) find the density profile follows an exponential with hz~300 pc up to z~1 kpc

• Recent studies (Cabrera-Lavers et al. 2005, López-Corredoira et al. 2002)using Red Clump stars find:

Thick disk: hz=0.9 kpc, hR=3.6 kpcThin disk: hz=300 pc, hR=2.6 kpc

Thin Disk ---- Thick Disk ----

The Thick Disk dominates at 2<z<6 kpc

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Velocity distributions

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Halo and Disk Kinematic Decomp.: Toomre Diagram

Halo ● Retrograde ● Thick Disk ● Thin Disk ●

• Thick disk stars rotate slower (V~180km/s) than Thin disk stars (~240 km/s). Their orbits are slightly non-circular.

• The Galactic Halo (as a whole) does not rotate on average, there’s a large velocity dispersion ~120 km/s

Venn et al. 2004

Galactocentric V (km/s)

T = U2 + W2

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Halo and Thick Disk Kinematics

Halo ● Retrograde ● Thick Disk ● Thin Disk ●

Venn et al. 2004Galactocentric V (km/s) Galactocentric V (km/s)T

=U

2+

W2

• Thick disk stars rotate slower (V~180km/s) than Thin disk stars (~240 km/s). Their orbits are slightly non-circular.

• The Galactic Halo (as a whole) does not rotate on average, there’s a large velocity dispersion ~120 km/s

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Detailed Elemental Abundances

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The creation of heavy elements

• Elements heavier than Fe cannot be produced by fusion (curve of binding energy)

• Coulomb barrier is too great

• Nevertheless, heavy elements do exist, so how are they produced?

• α-particle capture

• Slow and rapid neutron captures

• n-captures do not suffer from the issues due to the coulomb barrier since neutrons are, well, neutral!

• These processes occur in different astrophysical sites, therefore there are different timescales for the chemical enrichment in elements produced by different processes

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α-particle captures

• α-elements

• α-elements are those produced by the capture of an α particle (He core).

• The α-capture process is limited by the Coulomb barrier, so these captures have to happen in an energetic environment with high number density of α-particles

• α-elements are produced in the explosions of SN II (core-collapse). The typical time scale of α enrichment is ~100 Myr.

• This mechanism produces relatively light elements

• Some α-elements are:

• C, N, O, S, Si, Ca, Mg, Ti

Matteucci (2001)

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Neutron captures (Burbidge, Burbidge, Fowler and Hoyle 1957)

Cowan & Thielemann, 2004)

• n-capture processes go like this:

• An atom (Z,A) with atomic number Z and mass number A captures a neutron n, increasing the mass number and releasing a photon γ

• the new isotope (Z,A+1) can

capture another n

eventually will β-decay

r-process

β-decay, increasing the atomic number Z and emiting an e- and a νe

or

s-process

This is all very nice, but there’s a minor issue.....

free neutrons are not β-stable. Their half-life

is ~15 min !!!!!

• n-captures are not limited by the Coulomb barrier

• The heaviest elements in the Universe are synthesized via n-capture processes

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Slow and Rapid Neutron Captures

• The process is called slow (s-process) if τn>> τβ, i.e the n-captures occur in a typical timescale longer than τβ, the β-decay timescale

• The s-process occurs under moderate neutron flows ~108 neutrons/cm3 (Rauscher 2004)

• The process is called rapid (r-process) if τn<< τβ , i.e the n-captures occur in a typical timescale shorter than τβ, the β-decay timescale

r-processs-process

• The r-process occurs under intense neutron flows ~1022-1024 neutrons/cm3 (Rauscher 2004)

• s-process elements are synthesized mostly on the H- and He- burning shells during the RGB stars and AGB phase

• r-process elements are synthesized during SN II explosions or neutron star mergers

Therefore the typical time-scale for s-process

enrichment is long, ~1-2 Gyr

Therefore the typical time-scale for r-process enrichment is

short, ~few x 107 yrs

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Brief Summary of α, s and r process elements

• Some α-elements are:

• C, N, O, S, Si, Ca, Mg, Ti

• Some s-process elements are:

• Sr, Ba, La, Pb, Y, Ce

• Some r-process elements are:

• Se, Y, Tc, Eu, Au, Pt, U, Th

Matteucci (2001)

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Yields from SNII and SNIa

Peletier 2012

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Elemental Abundance Trends

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Elemental Abundance Trends

• The ratio [alpha/Fe] is set by the relative yields of massive stars w.r.t low mass stars

onset of SNIa

• The increase in SFR will shift the “knee” towards higher metallicities since SNII will increase the Fe abundance at constant [alpha/Fe]

• At the onset of the SNIa contributions (~1Gyr) the iron abundance increases at a faster rate than the alpha abundance, therefore Fe/H increases while [α/Fe] diminishes

McWilliam 1997

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Elemental Abundance Trends

• The ratio [alpha/Fe] is set by the relative yields of massive stars w.r.t low mass stars

onset of SNIa

• The increase in SFR will shift the “knee” towards higher metallicities since SNII will increase the Fe abundance at constant [alpha/Fe]

• At the onset of SNIa events (~1Gyr) the iron abundance increases at a faster rate than the alpha abundance, therefore Fe/H increases while [α/Fe] diminishes

McWilliam 1997

Winds

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Elemental Abundance Trends

• Halo and Thick Disk stars are alpha-enhanced, with [α/Fe]~+0.2

• Thin Disk stars have ~solar alpha abundances, [α/Fe]~+0.0

• Bulge stars are also alpha enhanced. The enhanced stars are associated with the metal-poor bulge population, while the solar-like stars are associated with metal-rich Bar population

Navarro et al. 2011

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Galactic Halo Structure

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The Halo Dichotomy

• Note the break at <30 kpc

• At distances >~30kpc all globular clusters are metal-poor

• At distances <30kpc there is a large spread in the globular cluster metallicity distribution

Geisler et al. (2003)

• The same break is observed when analyzing HB morphology, i.e. Halo globular clusters have blue, extended HBs; while Bulge and Thick Disk clusters have red HBs tending towards Red Clumps

47 Tuc (Vazdekis et al. 2001)

Halo GC

Bulge GC

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