（天体物理专业论文）不同星族恒星的年龄金属丰度关系.pdf

摘要 银河系恒星的年龄金属丰度关系( a m r ) 是研究星系形成和化学演化的一个基本 问题，但这一关系是否存在至今仍在讨论和争议之中，因此有必要对a m r 进行进一步 的研究。为此，我们分别选取了2 组观测样本：一组是包括4 个大样本恒星的观测工作， 其金属丰度是由测光的色指数确定的；另一组是包括1 3 个较小样本的观测工作，其金 属丰度是由分析高分辨率恒星光谱确定的，目的是通过对这些样本的统计和分析讨论银 河系恒星是否存在年龄金属丰度关系。 我们的工作主要包括以下两部分： 第一部分是大样本的统计分析。恒星样本取自近年来的4 个大样本观测工作，分别 包括5 5 2 颗、1 3 8 2 颗、5 8 2 8 颗和1 4 0 0 0 多颗恒星。我们详细分析比较了不同样本的恒 星年龄、金属丰度的差异，并分别讨论了它们的年龄金属丰度关系。通过对这些大样 本工作的详细比较和分析，从3 个较大的样本之间包含的共同恒星中选取了年龄比较一 致的恒星构成了2 个新样本a 和b ，分别包括4 0 0 7 和1 0 4 2 颗恒星。然后用纯运动学标 准确定了样本a 和b 中每颗恒星的星族成分，分别讨论了薄盘和厚盘恒星测光的年龄 金属丰度关系。 第二部分是多样本的分析。选取的样本包含1 3 个较小观测样本的工作，其金属丰 度是由分析高分辨率光谱确定的。从这些样本中选取了6 4 1 颗恒星，包括4 3 4 颗薄盘星， 1 5 7 颗厚盘星和5 0 颗晕星。为避免不同样本给出的恒星年龄的系统误差，我们利用等 年龄线方法统一计算了这些样本星的年龄，再结合这些样本给出的分光金属丰度，分析 了得到的薄盘、厚盘和晕族恒星分光的年龄金属丰度关系。 我们的主要结果和结论如下： ( 1 ) 对于薄盘恒星，存在两种似乎矛盾的a m r 结果，由大样本分析得到的年龄( 测 光) 金属丰度关系非常微弱，但由多样本分析得到的年龄( 分光) 金属丰度关系却比较明 显，究竟哪种关系更为确切，还需要进一步的探讨，但我们认为这种明显的年龄( 分光) 金属丰度关系很可能是样本选择效应造成的；厚盘恒星的测光和分光的年龄金属丰度 关系都表明厚盘恒星中存在年龄金属丰度关系，即恒星年龄随金属丰度的增加而变小， 平均来说金属丰度每增加0 1 d e x 恒星年龄就减小i g y r ；晕族恒星中未发现明显的年龄 金属丰度关系。 ( 2 ) 薄盘恒星、厚盘恒星和晕族恒星的金属丰度沿a m r 的弥散度都远大于观测误 差。薄盘和厚盘恒星金属丰度的弥教度大小基本上一致，但薄盘恒星金属丰度的弥敖度 随恒星年龄的增加有变大的趋势，厚盘恒星金属丰度的弥散度随恒星年龄的增加却有变 小的趋势。丽晕族恒星金属丰度的弥教比薄盘恒星以及浮盘恒星的金属丰度弥散都大。 ( 3 ) 从恒星的元素丰度 m g f e 与恒星年龄的关系来看，薄盘星的 m 舻e 】随着恒星 年龄变老两增加，德有很大晌弥散；厚盘星的 m g f e 的平均值几乎不随年龄变化两变 化，对于富【m g f e 】的厚盘星，它们的【m g f e 】集中于o 3 o 5 的范围内，而贫 m g f e f 1 0 厚盘星，恒星愈年老其 m g f e 愈贫；晕星的【m 萨e 】和年龄没有任何相关关系。 ( 4 ) 我们的结果表明薄盘、厚盘和晕族恒星的平均年龄分别约为4g y r 、9g y r 和 1 3g y r ，平均金属丰度分别约为- o 1 8 、m 3 6 和。1 2 8 。 我们的结果表明，恒星的年龄金属丰度关系受多种因素的影响，如样本的选择效 应、恒星年龄和金满丰度计算方法的差异，以及样本的纯度等，这也是今焉更进一步探 讨恒星的年龄金属丰度关系时需要注意的问题。 i v 关键词；天体物理学银河系薄盘厚盘晕恒星年龄金属丰度关系 a b s t r a c t t h ea g e - m e t a l l i c i t yr e l a t i o n ( a m r ) o fs t a r si nt h eg a l a c t i cd i s ki saf u n d a m e n t a li s s u et o s t u d yt h ef o r m a t i o na n de v o l u t i o no ft h eg a l a x y h o w e v e r , u pt on o w , w h e t h e rt h e r ei sa p o s s i b l er e l a t i o nb e t w e e nt h es t e l l a ra g e sa n dm e t a l l i c i t i e so ft h eg a l a c t i cs t a r si ss t i l li n d e b a t e d s ot h a ti ti sn e c e s s a r yt of u r t h e rs t u d yt h ea m r w es e l e c t e dt w og r o u p so fs a m p l e s t od i s c u s st h ea m p , i nd e t a i l ：o n eg r o u pc o n s i s t so ff o u rl a r g es a m p l ew o r k si nw h i c ht h e s t e l l a rm e t a l l i c i t yi sd e t e r m i n e db yp h o t o m e t r i ci n d e x ；t h eo t h e rc o n s i s t so f13w o r k sw i 也 r e l a t i v ef e w e rs t a rs a m p l e s ，i nw h i c ht h es t e l l a rm e t a l l i c i t yi sd e r i v e df r o m h i g h - r e s o l u t i o n s p e e t r o s c o i p i ca n a l y s i s 。 o u r w o r km a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gt w o p a r t s ： t h ef i r s tp a r ti st h es t a t i s t i c a la n a l y s i so fl a r g es a m p l e s o u rs a m p l es t a r sw e r es e l e c t e d f r o mf o u rl a r g ep h o t o m e t r i cs a m p l e sw h i c hi n c l u d e5 5 2 ，5 8 2 8 ，16 5 8 ，a n d1 4 0 0 0s t a r s r e s p e c t i v e l y f i r s t , t h ea g e s ，m e t a l l i c i t i e sa n dt h ea m r so ft h ef o u rs a m p l e sw e r ec o m p a r e d w i t he a c ho t h e r t h e n , w em a k et w on e ws u b s a m p l e saa n dbf r o mt h ec o r f l n l o ns t a r s b e t w e e nt h et h r e el a r g e rs a m p l ew o r k sb ys e l e c t i n gs t a r sw i t hc o n s i s t e n ta g e s s u b s a m p l e sa a n dbi n c l u d e s4 0 0 7a n d10 4 2s t a r sr e s p e c t i v e l y t h es t e l l a rp o p u l a t i o nm e m b e r s h i po fe a c h s t a ri sd e t e r m i n e db yt h ep u r ek i n e m a t i c sc r i t e r i o n s 。l a s t l y , w ed i s c u s s e dt h ep h o t o m e t r i c a g e - m e t a l l i c i t yr e l a t i o no ft h i na n dt l l i c kd i s ks t a r s t h es e c o n dp a r ti sa na n a l y s i so fm u l t i s a m p l e s o u rs a m p l es t a r sw e r es e l e c t e df r o m t h i l - t ( 嚣nw o r k sw i t l lr e l a t i v ef e w e rs t a rs a m p l e s t h es t e l l a rm e t a l l i c i t i e so ft h o s ew o r k sa r e d e r i v e df r o mh i 曲一r e s o l u t i o ns t e l l a rs p e c t r a a f t e re l i m i n a t i n gt h eg i a n t sa n ds o m es t a r st h o s e a g e s 髓nn o tb ed e t e r m i n e du s i n gi s o c h r o n e s ，w eo b t a i n e das a m p l ec o n s i s t i n go f6 4 1s t a r s f r o m13o b s e r v a t i o n a lw o r k s t h i ss a m p l ec o n s i s t so f4 3 4t h i nd i s ks t a r s ，15 7 懿c kd i s ks t a r s a n d5 0h a l os t a r s s i n c et h es t e l l a ra g e sp r e s e n t e db yd i f f e r e n tw o r k sa l eo f t e nd i f f e r e n t ，t o a v o i dt h es y s t e me r r o r so fs t e l l a ra g e sa m o n gt h ed i f f e r e n tw o r k s ，w en s et h ey 2 - i s o c h r o n e s r e c a l c u l a t e dt h es t d l a ra g e so f6 4 1s t a r s u s i n gt h es p e c t r o s e o i p i cm e t a l l i c i t i e s ，w eo b t a i n e d t h es p e e t r o s c o i p i ca g e - m e t a l l i e i t yr e l a t i o nf o rt h et h i nd i s k , t l l i c kd i s ka n dh a l os t a r s f o l l o w i n ga r eo u rm a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s ： v ( 1 ) f o rt h i nd i s ks t a r s ，t w or e s u l t so fa m rs e e m st ob ec o n f l i c t i n g ，aw e a kp h o t o m e t r i c a g e m e t a l l i c i t yr e l a t i o nd e r i v e df r o ml a r g es a m p l e sa n a l y s i s ，a n dac l e a r e rs p e c t r o s c o i p i c a g e m e t a l l i e i t yr e l a t i o nd e r i v e df r o mm u l t i s a m p l e sa n a l y s i s f u r t h e rs t u d i e sa r en e e d e dt o e x p l o r ew h i c ho n e i sm o r ea c c u r a t e b u tw et h i n kt h a tt h ec l e a r e rs p e c t r o s c o i p i ca m r m a y b e d u et ot h es e c t i o ne f f e c t so ft h em u l t i s a m p l e s f o rt h i c kd i s ks t a r s ，t h e r ei sa l lo b v i o u sa g e - m e t a u i c i t yr e l a t i o nw h e t h e rd e r i v e df r o m p h o t o m e t r i cm e t a l l i c i t i e so rs p e c t r o s c o i p i cm e t a l l i c i t i e s o nt h ea v e r a g e ，t h es t e l l a ra g e i n c r e a s e s1g y rw i t had e c r e a s eo fo 1d e xo f f e h t h e r ei sn oo b v i o u sa g e m e t a l l i e i t yr e l a t i o ni nt h eh a l os t a r s ( 2 ) t h es c a t t e ri n f e h 】a ta l la g e sa l o n gt h ea m rg r a t e t l ye x c e e d st h eo b s e r v a t i o n a l e r r o r s0 id e x t h es c a t t e ro ft h i nd i s ks t a r sh a sa ni n c r e a s i n gt r e n d w i t ht h ea g ei n c r e a s i n g ， w h i l et h es c a r e ro ft h i c kd i s ks t a r sh a sad e c r e a s i n gt r e n dw i t ht h ea g ei n c r e a s i n g t h es c a t t e r o fh a l os t a r si ss i g n i f i c a n tl a r g e rt h a nt h a ti nt h i na n d 嘶c kd i s ks t a r s ( 3 ) t h er e l a t i o nb e t w e e na b u n d a n c er a t i o 【m g f e a n ds t e l l a ra g e si s d i f f e r e n tf o r d i f f e r e n ts t e l l a rp o p u l a t i o n s f o rt h i nd i s ks t a r s ，t h e r ei saw e a kt r e n dt h a tt h es t e l l a ra g e s i n c r e a s e 研lt h ei n c r e a s eo f m g f e ，a n dt h es c a r e ro f m g f e li si n c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e s e o fs t e l l a ra g e s f o rt h et h i c kd i s ks t a r s ，t h em e a no f m g f e 】i sn e a r l yc o n s t a n ta ta l la g e s f o r t h eh a l os t a r s ， m g f e s h o w sl a r g e rs c a t t e ra n dn oc o r r e l a t i o nw i t ht h es t e l l a ra g e s ( 4 ) o u rr e s u t ss h o wt h a tt h ea v e r a g ea g e so ft h i nd i s ks t a r s ，n l i c kd i s ks t a r s ，a n dh a l o s t a r sa r ea b o u t4g y r , 9g y r , a n d1 3g y r , r e s p e c t i v e l y ；a n dt h em e a nv a l u e so f f e h 】a r e a b o u t - 0 1 8 ，- 0 3 6 ，a n d - 1 2 8c o r r e s p o n d i n g t ot h et h i nd i s k ，n l i c kd i s k ，a n dh a l os t a r s o u rr e s u l t ss h o wt h a tt h es t e l l a ra m ri sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ，s u c ha st h es e l e c t i o n e f f e c to fs a m p l e ，t h ed i f f e r e n tm e t h o d so fd e t e r m i n i n gt h es t e l l a ra g e sa n dm e t a l l i c i t i e s ，a s w e l la st h ee t f e e to fs t e l l a rp o p u l a t i o n v i k e yw o r d s ：a s t r o p h y s i c sg a l a x yt h i nd i s kt h i c kd i s kh a l os t a ra g e m e t a l l i c i t yr e l a t i o n 学位论文原创性声明 本人所提交的学位论文不同星族恒星的年龄一金属丰度关系，是在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的原创性成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 论文作者( 签名) ：聚痕 1 7 彩年争月岁日 指导教师确认( 签名) ：疹缓 瑚年垆月了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解河北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河北师范大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在年解密后适用本授权书) 论文作者( 签名) ：紧波 多l ，d 君年中月多日 叭：夸鬟 伽9 年垆7 日 己i吉 l 目 由于我们身处银河系之中，能够从银河系的内部观测银河系，得到恒星详细的三维 空问分布、运动学参数和化学丰度，这使我们对银河系的研究较之其他星系要细致和深 入得多。因此，银河系成为研究其他星系，乃至整个宇宙的一个样本。但银河系的结构 和演化一直以来都是现代天体物理研究未解决的问题。为了正确认识银河系的演化史， 人们从理论和观测两方面做了大量的工作。许多研究工作表明【1 卅，同时利用本地矮星 的运动学和元素丰度资料，便可以对银河系化学演化模型从观测上加以约束，从而使模 型得以精化。在这一点上，对化学演化的理解主要源自对太阳邻域内恒星的研究，这是 因为近距离恒星才能提供比较可靠的观测资料。鉴于太阳邻域恒星的性质对正常星系而 言具有一定的代表性，因而有关的研究结果对于解释其他星系的一些问题具有同样重要 的意义。 根据恒星形成和演化理论以及元素核合成理论，银河系中的金属元素是多代恒星演 化核合成的结果，当恒星演化终结时就以超新星的形式爆发，将其产生的金属元素散布 到空间与星际介质相混合，作为下一代恒星的物质组成部分，这样多代恒星演化的结果 使得新近形成的恒星比过去形成的恒星的金属丰度高。然而鉴于理论模型的不断复杂 化，而观测所能提供的约束条件相对有限，银河系化学演化的图像并不清晰。在这种情 况下，一些天文学家认为应该对理论模型补充一个重要的观测约束，以改进对银河系演 化的认识【7 - l o 】。因此不仅需要考虑恒星的元素丰度和运动学状态，而且还应该考虑恒星 年龄这个重要因素，即通过观测来找出恒星的年龄金属丰度关系( a m r ) 。从理论上讲， 只要选取一个有代表性的恒星样本，通过观测取得恒星的年龄和金属丰度，就可以导出 样本恒星的年龄金属丰度的关系。那么，实际观测结果是否支持恒星年龄金属丰度关 系的存在，人们直在不懈地从鼹测上探讨这个祷关银河系化学演化的基本问题。然而 影响这个闯题结莱靛趿素肖禳多，包括样本的选择效疯以及样本豹缝度，确定燕星年龄 和金属丰度靛方法朝有关参数的不同，望族效应麴影响等，这整爨素会造成不蔫麴观测 工作给出不同的年龄金属率度关系，因此这一闻题至今仍在讨论和争议之中 n q 2 l 。 2 0 世纪张年代，天文学家通过溪测来援基太匿邻域拇匿基褥军龄。金愿丰度关系， 试图对镶河系化学演他的理论摸銎提供一令观测约束l 吲。这些骈究工豫串有些研究发 现太阳邻域内恒星存在年龄金属丰度关系( 如p o w e l l t 7 1 以及c l e g g 和b e l l 【8 】) ，偿誊些 研巍魏m c c l u r e 和t i n s l e y l l 瓣) ，认为a m r 也许不是真实存在的，很可能是各类误差 造成的骰象。1 9 8 0 年，& 嗡g 逸1 毒嘲耀携选静1 0 0 6 颡f 塑矮璧缝成熬样本，对银盘恒 星的年龄。垒属丰度关系进行了院较系统的研究，发现太辩邻域蠹的盘族渣望存在嬲显 的年龄金属率度关系。然而，1 9 8 5 年c a r l b e r g 1 5 l 等人重新分析了t w a r o g t ：4 ) 篚j 样本却 褥撼菲鬻平缝熬年龄金1 | 霭李度获系。1 9 9 1 年，m e u s i n g e r t l 螂等人耀不网予糯纛鳓毒1 叁磺蕊 方法确定其样本星匏年龄和金属丰度，褥出与t w a r o g 1 3 , 1 4 类纭豹结论。 随着观测技术的提高和观测数据的不断增加，特别是年老的富金属星的存在，馊零 入铜对铤盘僵星年龄。金属丰度关系豹荐在产生了异议。1 9 9 3 年，f a v a r d s s o n 等人翻选取 了个包含1 8 9 颡太阳附避琴型翱惑型矮星榉零，结聚表暖样本星中没寄舞显的a m r 存在，主要原因是a m r 弥散很大，无法用观测误差秘分拼方法来加以解释。1 9 9 8 年， 蚤毽和b e r t e l l i 麓对e d 蝴醯鳃啪拶的样本耋新进行了处理，褥蹈样零星中存在年龄金属率 瘦关系，健斜率穰小约为0 0 7 d e x g y r 。2 0 0 0 年，c h e r t 等人甏分瓣了9 0 鬏f 和g 型矮 攫的化学攀度，并利用恒星演化熊等年龄线煮法计算出这些恒星的年龄，结果未发现鞠 鼹的年龄金属丰度关系。同年，r o e h a - p i n t o 等入f 9 1 利用恒星色球活动水平估算恒星的 年龄，褥凄a m r 的变纯是时瓣的平滑瞒数，褥次证实彳t w a r o g t 毛弼翡结论。2 0 0 1 年， 2 f e l t z i n g 等人【2 0 ( f 0 1 ) 利用5 8 2 8 颗矮星或亚矮星做出太阳邻域恒星的年龄金属丰度图， 得出与t w a r o g t l 3 ，1 4 1 以及r o c h a - p i n t o 等人【1 9 相反的结果，没有发现年龄金属丰度关系， 从而证实了e d v a r d s s o n t 2 】等人的结论。2 0 0 2 年，i b u k i y a m a 和a r i m o t o l 2 1 】( i a 0 2 ) 考虑到 星族效应对a m r 影响，得出薄盘星的平均金属丰度基本不随时间变化并且在每个年龄 段的金属丰度的弥散度随恒星年龄变小而减小，厚盘星中不存在a m r ，金属丰度的弥 散比薄盘的还大。2 0 0 4 年，n o r d s t r s m 等人 2 2 1 ( n 0 4 ) 分析了太阳附近约1 4 0 0 0 颗恒星 的年龄和金属丰度，得出与f 0 1 一致的结论，即不存在年龄金属丰度的相关关系。2 0 0 7 年，h o l m b e r g 等人【2 3 】( h 0 7 ) 重新确定了n 0 4 样本星的参数，得出薄盘星的平均金属 丰度不随恒星的年龄变化，同时得出厚盘星没有明显的a m p 存在。 鉴于恒星的年龄金属丰度关系能为星系化学演化模型提供很强的观测约束，而目 前对a m p , 是否存在仍无定论，因此有必要对a m r 进行进一步的研究。为此，我们分 别选取了2 组观测样本：一组是包括4 个大样本恒星的观测工作，其金属丰度是由测光 的色指数确定的：另一组是包括1 3 个较小样本的观测工作，其金属丰度是分析高分辨 率恒星光谱确定的，目的是通过对这些样本的统计和分析讨论银河系恒星是否存在年龄 金属丰度关系。本文第一章介绍了确定恒星年龄以及金属丰度的方法；第二章为大样 本的统计分析测光a m r ，比较了不同样本的恒星年龄、金属丰度和年龄金属丰度关系， 用纯运动学标准确定了每颗恒星的星族成分，分别讨论了薄盘和厚盘恒星的测光年龄 金属丰度关系；第三章为多样本的分析分光a m r ，首先采用统一方法重新计算了不同 的观测样本的恒星年龄，然后利用分光的金属丰度分别讨论薄盘星、厚盘星和晕星的分 光年龄金属丰度关系；最后为结论。 1 确定恒星年龄以及金属丰度的方法 1 1 确定恒星年龄的方法 恒星年龄是表征恒星形成和演化的一个基本参数，如何精确确定恒星年龄一直是天 体物理研究中的一个非常重要的基本问题，但由于影响确定恒星年龄的因素很多，要精 确地确定恒星年龄实际上是一个非常复杂的问题，实际操作时要考虑很多因素。目前确 定恒星年龄的方法有很多种，如等年龄线法f 2 l 勉1 二5 l 、色球活动法1 1 9 2 5 ，2 6 】、自转周期法 2 s , 2 7 1 、轨道参数法瑟5 ，2 懿、核纪年法瑟明等，瑟对于银河系慑星来说，确定其年龄的基本方 法主要有以下两种。 第一种方法为等年龄线法，即利用等年龄线( i s o c h r o n e ) 确定恒星的年龄。等年龄 线法根源予赫罗图，它利用懂星结构和演化理论得到一系列代表不同年龄和不同质量的 恒星演化的等年龄线，根据观测得到的恒星有效温度、绝对星等和 f e h 等参数，通过 插值计算而得到恒星的年龄。但由于选用的恒星结构和演化理论不同，得到的等年龄线 也会存在差异，蟊前普遍采用的i s o c h r o n e 有5 组：v a n d e n b e 嬲羽，b e r t e l l i 3 弱，p o l s 3 4 1 ， p a d o v a t 甥，k 璐c i 删e 【3 邸7 l 。那么在确定恒星的年龄时采用的等年龄线不溺，所褥到的 恒星年龄也会有差异。等年龄线法的优势在于应用范围广，光谱型b 9 一g 5 内的恒星都能 用此方法确定年龄，特别是对于那些演化明显偏离零龄主序带的恒星，用等年龄线法能 得到较为准确的年龄。但对子还没有开始演纯的年轻恒星以及刚进入零龄主序演化带的 晚型恒星( g 型和k 型矮星) ，用这种方法得到的恒星年龄是不可靠的，因为在零龄主 序上所有的等年龄线都聚集在一起。 第二静方法为色球活动法，帮利用恒星色球活动永平( 1 0 9 零k ) 确定恒星的年龄。 这种方法最早是1 9 6 3 年w i l s o n 3 s 1 提出来的，1 9 7 2 年s k u m a n i c h ! 堋，1 9 8 7 年b 醐影删等 人，1 9 9 0 年e g g 甜4 n ，1 9 9 1 年s o d e r b l o m 等人【4 2 1 先后对这种方法进行了研究。s o d c r b l o m 等人嘲依据翡人的研究成果霹恒星的色球活动水平随时闻的变纯会越来越弱( 或者表述 为年轻恒星的色球活动水平比年老恒星高) ，从而给出了利用恒星色球活动水平直接确 定恒星年龄的经验关系。之后r o c h a - p i n t o 等人【1 9 硐发现恒星的元素组成不同，用色球 活动法确定的恒星年龄也不闷，基于此他们s o d e r b l o m 等人陶给出的关系进行了修正， 并绘出修芷后的关系。色球活动法的优势在于确定年轻恒星和晚型恒星的年龄，要比等 年龄线法确定的年龄更为准确【2 ，1 蚍1 , 2 4 , 2 5 1 。对于那些色球活动小的年老恒星，用这种方 法确定的年龄不准确。实际上这种方法不完全独立，对其它方法尤其是等年龄线法有一 定程度的依赖。 上述各种方法适用于不同类型的恒星，为了尽可能得到精确的恒星年龄，l a c h a u m e 等人乎5 l 对不同光谱型的恒星，采用不同的方法确定恒星的年龄，通过统计得到不同计算 方法适用的恒星类型和使用频率，详见圈l 。从图l 可以看出等年龄线法应用最广，其 次为色球活动法，其余的方法仅能给出年龄的上下限。 艄n 一朋 譬曩 黼l 墨鞠群昏 圈l 不同计算恒星年龄方法的眈较嘲 ，聒辩”帖聒蟮昭舔。 纂ltil量垂lti罩 1 2 确定金属丰度的方法 天体物理中一般把所有重于氦的元素的整体丰度称为金属丰度。从实际观测角度来 讲，并不是所有元素的化学丰度都是已知的，丽铁元素丰度的确定相对丽言比较容易， 因此金属丰度一般用铁丰度来表征。铁丰度般用铁原子数密度与氢原子数密度比值的 对数与太阳的相应值之差 f e h 来表示，即 【fe h 】= 1 0g ( n ( fe ) n ( h ) ) s t s r i og ( n ( fe h ) n ( h ) ) 。 确定恒星的金属丰度通常有两种方法：一种是测光方法，即利用咖一绣标准测光 系统观测得到的p 力，玛，q ，声等指数，根据经验公式得到恒星的铁丰度1 2 4 ，通常 大样本的巡天观测用测光方法确定恒星的金属丰度；另一种是分光方法，即利用观测得 到的谱线的等值宽度或谱线轮廓，结合谱线的原子参数和恒星大气模型得到恒星的铁元 素丰度【2 1 ，一般小样本恒星元素丰度分析工作使用高分辨率、高信噪比的光谱采用分光 方法确定恒星的金属丰度。通常认为分光金属丰度比测光金属丰度更为可靠，但在样本 容量上前者不如后者大。1 9 9 3 年，e d v a r d s s 傩f 2 1 首先对这两种方法得到的金属丰度进行 了比较，发现两种方法获得的铁丰度基本一致，但对于富金属星来说测光方法得到的金 属丰度偏高。后来的大样本研究进一步表明测光和分光得到的金属丰度在误差范围内符 合的很好f 2 l 篮j 。 6 2 大样本的统计分析一测光a m r 理论上讲，不论采用什么样的方法，对同一颗恒星应该得到一致的年龄，实际上由 于确定年龄的复杂性，使得不同方法或者即使方法相同但采用的参数( 有效温度、绝对 星等、金属丰度，口元素等) 不同对同一颗星给出的年龄也不尽相同，这使得年龄金 属丰度关系的研究变得异常复杂，不同的作者或者不同的样本可能给出完全不同的 a m r 。对于选定的样本，分别利用测光和分光方法确定样本恒星的金属丰度，再结合各 自确定的恒星年龄，所得到的年龄金属丰度关系分别称为测光和分光年龄金属丰度关 系。本章仅讨论近年来的几个大样本测光工作，比较不同作者给出的恒星年龄和金属丰 度，并选取共同的样本恒星分别比较各自给出年龄金属丰度关系。 2 1样本介绍 目前有关银河系恒星年龄一金属丰度关系的研究很多，但要得到比较可信的结果必 须依赖于大样本的分析。为此我们选取了以下4 个样本，它们几乎包括了近几年所有的 大样本研究工作。 ( 1 ) 2 0 0 0 年r o c h a - p i n t o 等人【1 9 】的工作，选用5 5 2 颗晚型矮星样本，经过详细分 析得出太阳邻域恒星中存在年龄金属丰度关系，并且发现此种关系是时间的平滑函数， 样本恒星的平均金属丰度在过去的1 2 - 1 5 g y r 内至少增加了0 5 6 d e x ，而金属丰度的平均 弥散仅为o 1 3 d e x 。 ( 2 ) 2 0 0 1 年f e l t z i n g 等人1 2 0 的工作，样本选自依巴谷星表( e s a l 9 9 7 ) 。选取标准 为样本星有测光指数u v b y 数据，o 2 5 p y ) 0 5 9 ，视差的相对误差小于2 5 ，并且不 是双星成员。最后选取了年龄较为精确的5 8 2 8 颗恒星，结果发现存在相当数量的年老 的富金属星，而且在任何年龄处金属丰度的弥散都大于由观测造成的误差。因此，他们 认为太阳附近恒星可能不存在年龄金属丰度关系，由于用到的样本比以往都大，结果 似乎更具说服力。 ( 3 ) 2 0 0 2 年i b u k i y a m a 和加洳o t 0 【2 1 1 的工作，从依巴谷星表( e s a l 9 9 7 ) 等一系列 有关【f e h 】、u v b y 一和视向速度的星表中，选出依巴谷视差精度高于1 0 且剔出双星 和变星后的1 6 5 8 颗矮星。依据恒星运动的v 速度和轨道参数z k 划分出1 3 8 2 颗薄盘 星，2 2 9 颗厚盘星，4 7 颗晕星。结果表明薄盘恒星的平均金属丰度从1 4 g y r 到1 g y r 保 7 持不变，厚盘恒星也未发现明显的年龄金属丰度关系，且金属丰度弥散比薄盘恒星大， 他们认为此弥敖为银河系形成和演化的本质特征。 ( 4 ) 2 0 0 0 年n o r d s t r 6 m 等人田1 的工作，给出太阳附近约1 4 0 0 0 颗f g 型矮星的各 种参量，包括恒星的年龄、金属丰度、运动学和轨道参数等。该样本是基前最大的观测 样本，几乎包含了距太阳4 0p c 以内所有的矮星。n 0 4 的结果表明在所有年龄范围内， 恒星的平均金属丰凌基本保持不变，且筘硼】的弥散远大予由观测造成的误差( o 。1d e x ) ， 同时发现存在相当数量的年老的富金属星，这褥次证实了f 0 1 的结论。 2 2 不同样本的年龄比较 r p 0 0 样本星的年龄分别由甄种方法确定，子样本r p 0 0 1 的年龄是用色球活动法确 定的，包含4 7 1 颗恒星；子样本r p 0 0 2 的年龄是利用v a n d e n b e r g 等a t 3 0 帕等年龄线来 确定的，包含7 3 0 颗恒星。 f 0 1 样本星的年龄是利用h u r l e y 等人1 4 3 】基于p o l s 等人f 3 3 , 4 3 1 的等年龄线给出的恒星 演化方程确定的，这套演化方程除了少数几个点之外都是解析的。f e l t z i n g 等人刚假设 全部样本星都只处于主序、赫氏间隙和第一主序分支这3 个演化阶段，目的是为了去除 主序回绕阶段使赫罗图上的每个观测点对应唯一的年龄和质量，并假定最大的恒星年龄 为1 5 g y r 。 i a 0 2 样本星的年龄同样是用等年龄线方法确定的，只不过他们采用的是 y o n s d - y a l e 【3 ：r i 的等年龄线。这套等年龄线对应的金属丰度范围为z = 0 0 0 0 0 1 到0 0 8 ， 年龄范围隽l g y r 到2 0 g y r ，年龄闻隔为i g y r 。 n 0 4 样本星的年龄也是用等年龄线方法确定的，不同之处是他们采用p a d o v a 3 s 】的等 年龄线，面且采用贝叶袈概率方法售算恒星的年龄，有关贝叶斯概率方法的详细描述见 j f l r g e t m e n 和l i n d e g r e n 3 引。 根据估算恒星年龄方法的不霹可以将这些样本分为两类：色球活动法( r p 1 ) ，等 年龄线法( r p 0 0 2 ，f 0 1 ，i a 0 2 ，n 0 0 ) 。这些不同样本两两之间共同恒星的年龄比较见 图2 圈4 。 s 图2r p 0 0 1 与f 0 1 、i a 0 2 和n 0 4 共同样本星的年龄比较 图2 分别为r p 0 0 1 与f 0 1 、i a 0 2 和n 0 4 共同样本星的年龄比较，从中看出用色球 活动法确定的恒星年龄与用等年龄线法确定的恒星年龄存在较大的偏差。如r p 0 0 1 与 n 0 4 的比较可以看出，对于用等年龄线法确定的恒星年龄小于5g y r 的年轻恒星来说， 色球活动法确定的恒星年龄明显偏大，而对于用等年龄线法确定的恒星年龄大于5g y r 的恒星来说，色球活动法确定的恒星年龄又明显偏小，这与f e l t z i n g 等人【2 0 】分析的结果 相同。但正如f e l t z i n g 等人【2 0 l 所说，对于处于零龄主序上年龄小于lg y r 的恒星来说， 由于所有的等年龄线都聚集在一起，色球活动法确定恒星年龄是对等年龄线法的有益毒 充，但对那些色球活动小的年老恒星，用色球活动法确定的年龄是不可靠的。 卵昭y r ( f 0 1 ) a 口娟y r ( 嘲 图3r p 0 0 2 与f 0 1 、认0 2 、n 0 4 共同样本星的年龄比较 图3 分别为r p 0 0 2 与f 0 1 、i a 0 2 、n 0 4 共同样本星的比较，由图可以看出r p 0 0 用 等年龄线法确定的恒星年龄与f 0 1 和n 0 4 基本致，但弥散较大，与认0 2 相比明显偏 大，最大的年龄偏差达到1 5g y r 。 9 i，殳v罄t汀、_o嗄 r殳)d正一蔓01-口气 管。墓蚤、-b 一搿跹暇)_炎、母o 符0cld邑支m蔷口嗄 g 矾；y r ( i a 舵) g 自f g 妒( n 0 4 ) g 粥y r ( n 舛) 图4f 0 1 、认0 2 和n 0 4 相互之间共同样本星的年龄比较 图4 为f 0 1 、认0 2 和n 0 4 相互之间共同样本星的年龄比较。从中看出，对于年龄 小于6 蛳的恒星，这3 个样本给出的年龄非常一致，但对年龄大于7 c 岍的恒星，瑚2 的年龄比f 0 1 和n i m 的年龄偏小。在整个年龄范围内，f 0 l 与n m 的大部分样本星的 年龄符合得很好，不同的是f 0 1 确定的年老恒星数目较多，而n 0 4 对于部分恒星年龄的 确定比f 0 1 确定的更老，超过了f 0 1 设定的年龄上限1 5 蛳。 从比较看出，即使对于同样的恒星样本，由于确定恒星年龄的方法不同或者采用的 等年龄线不同，得到的恒星年龄不尽一致。 2 3 不同样本恒星金属丰度的比较 r p 0 0 、f 0 1 、i a 0 2 和奎玎d 4 这4 个样本的金属丰度基本上是由测光色指数确定的， 而且多采用s c h u s t 盯和n i 鳓硼的定标关系。不同的是l u p 0 0 对红化较大( ( b - y ) 0 5 9 9 ) i 的恒星采用o l s 钮等人【4 5 】确定的定标关系，同时对有色球活动的恒星，在确定金属丰度 时再增加一个改正量；l 蛐2 样本中有4 0 0 多颗恒星的金属丰度是由分光方法确定的， 它们来源于2 0 0 1 年s 臼0 b d 等人湖的星表；而n 0 4 先对s c 和n i s s o n 2 4 的定标关系 进行了改正，再用改正的关系确定恒星的金属丰度，他们确定的金属丰度与e d v a 们s s 伽 等人因和q l m 等人【1 硼用分光方法确定的金属丰度相比较，平均的偏差值分别为0 0 2 和 0 0 0 d e x 皿 图5 四个样本的金属丰度比较 图5 分别给出了4 个不同样本两两之间共同恒星金属丰度的比较。从图5 中可以看 出对于同样的样本，不同作者给出的金属丰度总体上符合得比较好，尤其是r p 0 0 i a 0 2 、 i a 0 2 - n 0 4 两组样本的金属丰度在观测误差范围内基本一致，如图5 b 和f 所示。但也存 在着系统偏差，主要表现为f 0 1 与其他3 个样本相比金属丰度偏高，如图5a 、d 、e 所 示，偏差的根源在