張文粳 常瑞香 張 茜，3

(1中國科學(xué)院上海天文臺 上海 200030)

(2中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

(3中國科學(xué)院國家天文臺長春人造衛(wèi)星觀測站 長春 130117)

1 引言

銀盤金屬豐度梯度及其演化研究，一直以來都是銀河系乃至星系形成和演化研究的熱點和難點之一.

早在上世紀80年代，Shaver等[1]就通過分析HII區(qū)的金屬豐度的觀測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)銀盤存在負的金屬豐度梯度，即:隨著銀心距的增加，星際介質(zhì)的金屬豐度逐漸減少.關(guān)于現(xiàn)今星際介質(zhì)的豐度梯度研究，示蹤體可以選用HII區(qū)、早型恒星、年輕疏散星團等[2-3]，不同示蹤體給出的結(jié)果也比較一致.例如，Moll′a等[4]收集了之前研究中不同示蹤體的金屬豐度觀測數(shù)據(jù)，并對不同來源的同一示蹤體進行統(tǒng)一擬合，最終給出了不同示蹤體得到的銀盤徑向金屬豐度梯度.其中以HII區(qū)為示蹤體得到的銀盤徑向氧豐度梯度為(-0.048±0.005)dex/kpc，而通過造父變星觀測數(shù)據(jù)得到的氧豐度梯度為(-0.0498±0.0516)dex/kpc[4].但是，在豐度梯度如何隨時間演化這個問題上，早期工作得到的結(jié)果差別很大[5]，還有待進一步研究.一般認為，疏散星團的金屬豐度，反映的是星團誕生時刻誕生區(qū)域處星際介質(zhì)的金屬豐度，而且，疏散星團的銀心距跨度和年齡跨度都較大，因此，疏散星團可以作為研究銀盤金屬豐度梯度隨時間演化的重要示蹤體[6-7].

金屬豐度是疏散星團的重要基本參數(shù)之一.遺憾的是，僅有一小部分疏散星團有金屬豐度的測量，而且，該參數(shù)基于不同質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)，采用了不同的方法.Netopil等[8]整理了自1990年以來有關(guān)疏散星團金屬豐度研究的文獻，其中金屬豐度的測量分別是基于測光數(shù)據(jù)、高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)、低質(zhì)量光譜數(shù)據(jù).他們用統(tǒng)一的方法，重新計算了每個星團成員星的金屬豐度分布函數(shù)，最終得到172個疏散星團的金屬豐度.由Netopil等[8]給出的確定疏散星團金屬豐度的方法很值得借鑒和學(xué)習(xí).

近幾年來，隨著Gaia(Global Astrometric Interferometer for Astrophysics)、APOGEE(Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment)、LAMOST(the Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope)等大型巡天項目數(shù)據(jù)的釋放，使疏散星團基本參數(shù)在測定的數(shù)量和質(zhì)量上，都有了飛躍性的提高.特別是海量的光譜巡天數(shù)據(jù)為更多的疏散星團的成員星提供了更加可靠的金屬豐度數(shù)據(jù).例如，基于APOGEE巡天數(shù)據(jù)，OCCAM(Open Cluster Chemical Abundances and Mapping)項目為數(shù)百個疏散星團建立了基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)的包含星團年齡、距離、紅化和金屬豐度的高質(zhì)量星表.GALAH(The GALactic Archaeology with HERMES)巡天以矮星為主要觀測對象，獲得了大約一百萬顆恒星的精確徑向速度，部分高信噪比恒星甚至可以求得15種以上不同化學(xué)元素的豐度.Spina等[9]結(jié)合Gaia-DR2(Gaia Data Release 2)的成員星概率判定，基于GALAH巡天數(shù)據(jù)測定了134個疏散星團的金屬豐度.LAMOST光譜巡天則是提供了大量恒星的低分辨率光譜數(shù)據(jù).Zhong等[10]將該LAMOST DR5的恒星參數(shù)星表與Cantat-Gaudin等[11]確定的星團成員星交叉匹配，得到了295個疏散星團的視向速度和金屬豐度，并以疏散星團為示蹤體，研究了銀盤金屬豐度梯度及其隨時間演化.遺憾的是，由于老年疏散星團的數(shù)目較少，年齡大于2 Gyr的只有23個，很難嚴格約束銀盤豐度梯度隨時間的演化.

簡而言之，目前已經(jīng)發(fā)表的疏散星團金屬豐度參數(shù)有幾種不同的來源，并且基于不同分辨率、不同信噪比的光譜數(shù)據(jù)或者基于不同測光系統(tǒng)的測光數(shù)據(jù).因此，列出的金屬豐度值還不能被整合為同質(zhì)數(shù)據(jù)集，需要以一致的方法對它們進行校訂，盡可能地降低可能存在的系統(tǒng)偏差，得到較為可靠的金屬豐度數(shù)據(jù).

本文的研究目標之一是確定老年疏散星團的金屬豐度參數(shù).我們收集了一個年齡大于2 Gyr的老年疏散星團樣本，通過整理和比較不同巡天項目給出的星團成員星的金屬豐度測量值，最終給出疏散星團的金屬豐度推薦值.此外，還利用該樣本探究了銀盤金屬豐度梯度隨時間的演化.

本文安排如下:第2部分介紹樣本的數(shù)據(jù)來源和收集數(shù)據(jù)的方法;第3部分是主要結(jié)果，比較了不同巡天項目給出的同一星團成員星的金屬豐度分布函數(shù)，最終得到我們推薦的老年疏散星團的金屬豐度數(shù)據(jù).不僅如此，我們利用該樣本為示蹤體，統(tǒng)計研究了銀盤在不同年齡處的金屬豐度梯度，并將其與由年輕疏散星團樣本得到的金屬豐度梯度對比，了解了銀盤金屬豐度梯度的演化歷史;第4部分是結(jié)論.

2 數(shù)據(jù)

Cantat-Gaudin等[11]研究了銀河系中一千多個疏散星團的成員星概率.他們根據(jù)Gaia-DR2的數(shù)據(jù)，對恒星采用了成員星分配代碼UPMASK(Unsupervised Photometric Membership Assignment In Stellar Clusters).最終為401448顆恒星提供了范圍為0.1-1的成員星概率.我們將這個星表作為篩選成員星的最基礎(chǔ)依據(jù).

Cantat-Gaudin等[12]根據(jù)Gaia-DR2的數(shù)據(jù)，估算了1867個疏散星團的基本參數(shù)，包括年齡和距離信息.通過初步篩選，我們從這個星表中得到了111個年齡大于2 Gyr的老年疏散星團.接下來我們將這111個疏散星團與有金屬豐度的疏散星團的星表匹配，最終得到45個有金屬豐度數(shù)據(jù)的老年疏散星團，其中金屬豐度的主要來源是APOGEE、GALAH、LAMOST等大型光譜巡天以及Netopil等[8]在2016年收集的疏散星團樣本.表1給出了這45個疏散星團的基本信息，數(shù)據(jù)均取自Cantat-Gaudin等[12]在2019年發(fā)布的星表.其中，第1列是我們樣本中星團的編號，第2列是疏散星團名稱，第3、4列中列出了對應(yīng)星團的位置信息，第5列是星團年齡，第6列是銀心距.

表1 老年疏散星團的主要參量Table 1 The main parameters of old open clusters

關(guān)于樣本星團成員星的金屬豐度數(shù)據(jù)，首先，基于APOGEE巡天數(shù)據(jù)，我們重點參考了Donor等[13]的OCCAM項目，并從中收集了18個老年疏散星團及其成員星的金屬豐度;其次，根據(jù)Spina等[9]的工作，我們將GALAH光譜巡天的高分辨率光譜數(shù)據(jù)和Gaia-DR2的數(shù)據(jù)進行交叉匹配，并從中收集了10個年齡在2 Gyr以上的疏散星團的金屬豐度及其成員星數(shù)據(jù).另外，OCCASO(The Open Clusters Chemical Abundances from Spanish Observatories survey)項目根據(jù)高分辨率(R≥65000)光譜數(shù)據(jù)，分析了18個疏散星團的金屬豐度[14]，我們從這個項目中收集了6個老年疏散星團的數(shù)據(jù).基于Gaia-ESO(European Southern Observatory)巡天項目，我們參考了Magrini等[15]的數(shù)據(jù)，并從中收集到2個基于高分辨率(R=47000)光譜信息的疏散星團的金屬豐度.

以上幾項工作中所收集到的數(shù)據(jù)全部是來自近幾年的大型巡天項目.而對于2016年以前的疏散星團數(shù)據(jù)，我們則是直接參考了文獻[8]在2016年發(fā)表的疏散星團樣本中的高分辨率(R≥25000)光譜數(shù)據(jù).在這個大樣本中，我們篩選到了17個年齡在2 Gyr以上的老年疏散星團，根據(jù)其參考來源與Gaia-DR2的交叉匹配，進而又得到了這17個疏散星團成員星的金屬豐度數(shù)據(jù).

除了上述高分辨率光譜得到的疏散星團金屬豐度外，我們還參考了Zhong等[10]的工作，他們將LAMOST DR5的低分辨率光譜數(shù)據(jù)與Gaia-DR2進行匹配，最終得到了一個基于LAMOST光譜巡天的疏散星團的大樣本.我們在其中選擇出了23個老年疏散星團成員星的金屬豐度，并計算了其平均值.

接下來，對于收集到的成員星數(shù)據(jù)在保證成員星數(shù)量的前提下，我們對成員星進行了篩選.首先，根據(jù)Cantat-Gaudin等[11]的成員星資格判定，剔除了成員星概率小于0.7的恒星.其次，根據(jù)Heiter等[16]的工作對成員星的有效溫度Teff和表面重力lgg給出了限制條件，以剔除快速旋轉(zhuǎn)的熱矮星或具有化學(xué)特性的恒星.我們在篩選樣本星團成員星的過程中，同樣采用了Heiter等[16]的判據(jù)，即:只選取了4400 K＜Teff＜6500 K，lgg＞2 dex的成員星的數(shù)據(jù).

3 結(jié)果

3.1 老年疏散星團的金屬豐度

由于不同巡天數(shù)據(jù)得到的金屬豐度可能存在系統(tǒng)性差異，我們首先來對比幾個不同巡天給出的同一星團成員星的金屬豐度差異.在我們收集到的樣本中，疏散星團NGC 2682的數(shù)據(jù)來源最為廣泛，Spina等[9]、Donor等[13]、Casamiquela等[14]、Netopil等[8]和Zhong等[10]，皆為其提供了有效的金屬豐度參考值，因此，我們下面就以NGC 2682為例，分兩步來對比幾個不同巡天給出的樣本星金屬豐度的差異.

首先，我們對比了幾個大型巡天項目公共成員星的金屬豐度.在星團NGC 2682中，APOGEE與GALAH的公共成員星有30個，APOGEE與LAMOST有28顆公共成員星，GALAH與LAMOST有24顆公共成員星，圖1分別畫出了這些公共成員星的金屬豐度的比較.由圖1可見，LAMOST低分辨率光譜巡天得到的金屬豐度數(shù)據(jù)比APOGEE和GALAH給出的數(shù)值略高，但差異的平均值在0.1 dex以內(nèi)，和LAMOST的金屬豐度的典型觀測誤差一致.

其次，為了做進一步對比，我們分別繪制了星團NGC 2682基于GALAH、APOGEE與LAMOST巡天數(shù)據(jù)的成員星金屬豐度分布，如圖2所示.圖2的虛線給出了對金屬豐度分布函數(shù)的最佳高斯擬合.我們用算術(shù)平均法，計算了每個巡天數(shù)據(jù)下成員星金屬豐度的平均值μ與標準偏差σ，并將結(jié)果標注在圖2中.結(jié)果表明，GALAH和OCCAM得到的星團NGC 2682的金屬豐度非常接近，由LAMOST得到的金屬豐度則偏高約0.01 dex，遠低于LAMOST的金屬豐度的典型觀測誤差.我們的結(jié)果表明，基于GALAH、APOGEE與LAMOST巡天數(shù)據(jù)得到的疏散星團NGC 2682的金屬豐度具有很好的一致性，都具備參考價值.

我們將圖2中計算星團NGC 2682成員星金屬豐度的方法應(yīng)用到所有的樣本星團，即:首先按照數(shù)據(jù)來源分類，對疏散星團中有同一數(shù)據(jù)來源的成員星，畫出金屬豐度分布函數(shù)，計算得到該數(shù)據(jù)來源給出的星團金屬豐度平均值，詳細結(jié)果展示在表2中.表2分別給出了從OCCAM、GALAH、OCCASO、Gaia-ESO、LAMOST光譜巡天和Netopil等[8]中收集到的老年疏散星團金屬豐度的總體情況以及我們對于樣本中所有疏散星團給出的推薦金屬豐度.其中:第1列是星團編號，第2列是疏散星團名稱.另外，我們按照光譜分辨率的不同，分為了高分辨率光譜(HQS)和低分辨率光譜(LQS)兩部分.又根據(jù)所收集的疏散星團的來源，分為來自GALAH、OCCAM、OCCASO、Gaia-ESO、LAMOST和Netopil等[8]的樣本共6個部分，每部分對應(yīng)3列數(shù)據(jù):第1列表示該星團中有金屬豐度數(shù)據(jù)的成員星的個數(shù)n，第2列與第3列分別表示星團金屬豐度[Fe/H]的平均值μ和標準偏差σ.

對比表2中同一星團基于不同巡天數(shù)據(jù)得到的金屬豐度平均值發(fā)現(xiàn):除了疏散星團NGC 2243、NGC 6253與NGC 6791的結(jié)果差異比較大，其余星團的金屬豐度平均值的差異都在0.1 dex以內(nèi).對于NGC 2243，我們收集到了該星團基于GALAH、OCCAM和Gaia-ESO這3個巡天的數(shù)據(jù).其中由GALAH巡天數(shù)據(jù)得到的金屬豐度平均值是最高的，而由OCCAM得到的結(jié)果最低.這兩個巡天的差異大約在0.25-0.3 dex之間.而NGC 6253所收集到的金屬豐度中，Netopil等[8]給出的金屬豐度略高于我們的結(jié)果.此外，NGC 6791在不同巡天中金屬豐度的平均值差異也比較明顯.該星團的數(shù)據(jù)來源是OCCAM、OCCASO、Netopil等[8]的樣本數(shù)據(jù).其中金屬豐度平均值最高的是基于OCCAM的數(shù)據(jù)，最低的是基于LAMOST巡天的數(shù)據(jù)，差異大約在0.1-0.2 dex之間.關(guān)于這兩個星團的金屬豐度，有待進一步研究.

表2 續(xù)Table2 Continued

表2 老年疏散星團的推薦金屬豐度Table2 Recommended metallicity of old open clusters

接下來，我們采用和Netopil等[8]相似的方法，計算了樣本星團最終的金屬豐度推薦值.我們將成員星的金屬豐度分為兩類:一類是基于APOGEE等高分辨率光譜巡天得到的金屬豐度數(shù)據(jù)，另一類是基于LAMOST中低分辨率光譜巡天得到的金屬豐度數(shù)據(jù).對于每個老年疏散星團，如果有高分辨率光譜觀測的成員星金屬豐度，就取其平均值和中位值作為該疏散星團的金屬豐度推薦值.對于不同巡天觀測得到的同一顆成員星的數(shù)據(jù)，我們按照觀測次數(shù)記錄，例如APOGEE和GALAH對同一顆成員星都有觀測數(shù)據(jù)，那么這顆星的兩個不同的金屬豐度值同樣有效，在我們的平均值與中位值計算過程中，它們算作兩次數(shù)據(jù).此外，對于沒有基于高分辨率光譜巡天得到的成員星金屬豐度的疏散星團，或者是該星團的所有成員星均未能通過我們的篩選條件，那么我們就選擇基于LAMOST中低分辨率觀測的金屬豐度為該星團的金屬豐度推薦值.與高分辨率下的數(shù)據(jù)處理方式一樣，我們依舊將星團成員星金屬豐度的平均值和中位值作為該疏散星團的金屬豐度推薦值.表2中最后5列給出樣本星團的金屬豐度推薦值，列表中推薦部分的第1列表示的是觀測類型(分辨率，Res)，H表示推薦值來自于高分辨率光譜觀測，L表示推薦值來自于低分辨率光譜觀測;第2列表示觀測次數(shù);第3列和第4列分別表示計算所得的疏散星團成員星的平均值和標準偏差;第5列表示疏散星團成員星的中位值.平均值和中位值兩列即老年疏散星團的金屬豐度推薦值.

3.2 銀盤徑向金屬豐度梯度

在這一部分，我們利用表2的疏散星團的金屬豐度推薦值(本文采用的是金屬豐度平均值)，探究銀盤金屬豐度梯度隨時間的演化.圖3給出整個樣本中老年疏散星團的金屬豐度隨銀心距的變化，實心點是觀測數(shù)據(jù)，實線是最小二乘法得到的最佳線性擬合，擬合得到銀盤徑向金屬豐度梯度為-0.047 dex/kpc.

圖3 老年疏散星團樣本給出的銀盤金屬豐度徑向輪廓，橫坐標是銀心距，縱坐標是[Fe/H]的平均值μ，圖中散點是樣本中老年疏散星團的觀測值，直線是用最小二乘法擬合的結(jié)果.Fig.3 The radial metal abundance gradient of the Galactic disk，the abscissa is the galactic center distance.The ordinate isμ，which is the average of[Fe/H].The scattered points in the figure represent our samples of old open clusters，and the straight line is the result of the ordinary least squares.

在OCCAM項目中，Donor等[13]利用APOGEE數(shù)據(jù)和年齡大于2 Gyr的疏散星團子樣本，得到銀盤徑向金屬豐度梯度為-0.094 dex/kpc(見Donor等[13]的圖11).Zhong等[10]則利用LAMOST數(shù)據(jù)和年齡大于2 Gyr的疏散星團子樣本得到的金屬豐度梯度為-0.053 dex/kpc(見Zhong等[10]的圖13).表3將這兩篇文獻的結(jié)果與我們的結(jié)果進行了比較，其中，第1列是不同研究得到的銀盤徑向金屬豐度梯度;第2列是樣本的銀心距范圍;第3列是樣本中疏散星團的個數(shù);第4列是不同結(jié)果的研究來源.由表3可見，我們得到的銀盤徑向金屬豐度更加平緩，原因之一可能是因為OCCAM與Zhong等[10]的樣本中老年疏散星團的數(shù)目偏少.另外，我們的樣本中，疏散星團的銀心距范圍是最大的.在此之前，不少銀盤徑向金屬豐度梯度的研究結(jié)果表明，銀盤徑向金屬豐度梯度并非是單一的，即銀盤的內(nèi)盤與外盤呈現(xiàn)不同的梯度，一般而言，內(nèi)盤梯度會比外盤的更加陡峭一些[13].由于分兩段擬合梯度，會引入更多的參數(shù)和不確定性，本文僅給出最簡單的單一梯度擬合結(jié)果.

表3 使用年齡大于2 Gyr疏散星團作為示蹤體的徑向金屬豐度梯度研究結(jié)果Table 3 Radial metallicity gradient studies using open clusters older than 2 Gyr as tracers

由于老年疏散星團的年齡跨度較大，為了更細致地研究銀盤徑向金屬豐度梯度隨時間的演化，我們將老年疏散星團樣本，按照年齡分為了兩個子樣本，分別為2-4 Gyr和4-8 Gyr.為了和年輕疏散星團的結(jié)果進行比較，參考了Cantat-Gaudin等[12]中星表給定的疏散星團的年齡與銀心距，我們從Zhong等[10]的樣本中，整理出了年齡在2 Gyr以內(nèi)的年輕疏散星團的金屬豐度，并將樣本按年齡分為兩個子樣本，一個樣本的年齡是0-1 Gyr，另一個為1-2 Gyr.這4個樣本中疏散星團的銀心距范圍都在6-22 kpc之間.圖4是銀盤徑向金屬豐度梯度隨時間的演化，4個子圖給出這4個子樣本得到的銀盤徑向金屬豐度梯度，由上到下年齡逐漸增加.其中，實心三角形是Zhong等[10]得到的疏散星團金屬豐度，實心圓點是本文樣本的數(shù)據(jù)，實線是由最小二乘法得到的最佳線性擬合結(jié)果.0-1 Gyr的子樣本和1-2 Gyr的子樣本得到的梯度分別為-0.011 dex/kpc與-0.037 dex/kpc，2-4 Gyr的子樣本和4-8 Gyr的子樣本得到的梯度分別為-0.044 dex/kpc和-0.060 dex/kpc.

圖4 銀盤徑向金屬豐度梯度隨時間演化，橫坐標是銀心距，縱坐標是[Fe/H]的平均值μ.圖中實心三角形是Zhong等[10]得到的疏散星團的樣本數(shù)據(jù)，實心圓點是本文工作的樣本數(shù)據(jù).直線是用最小二乘法擬合的結(jié)果.從上到下4個子圖中樣本的年齡分別是0-1 Gyr、1-2 Gyr、2-4 Gyr、4-8 Gyr.Fig.4 The radial metallicity gradient of the Galactic disk evolves over time，and the abscissa is the galactic distance.The ordinate isμ，which is the average of[Fe/H].The solid triangle in the figure is the sample data of open star cluster obtained by Ref.[10]，and the solid dots are the sample data of this paper.The straight line is the result of the ordinary least squares.The ages of the samples in the four subgraphs from top to bottom are 0-1 Gyr，1-2 Gyr，2-4 Gyr，and 4-8 Gyr，respectively.

我們的結(jié)果表明，整體而言老年疏散星團樣本得到的銀盤徑向金屬豐度梯度比年輕樣本得到的結(jié)果要更加陡峭，這表明早期銀盤有著更加陡峭的徑向金屬豐度梯度，隨著時間的增加，銀盤徑向金屬豐度梯度逐漸趨于平緩.該觀測結(jié)果為銀盤化學(xué)演化模型提供了更加嚴格的觀測約束，與模型結(jié)果的進一步比較將在后續(xù)工作中給出.

4 結(jié)論與展望

疏散星團是同一時期由同樣的物質(zhì)形成的一批恒星，它們在銀盤上分布廣泛，其年齡幾乎跨越了整個銀盤的年齡，是用來研究銀盤結(jié)構(gòu)與元素豐度的良好示蹤體.但疏散星團是一個相對年輕的群體，絕大多數(shù)疏散星團的年齡都在2 Gyr以下，而能測得其金屬豐度的又屬少數(shù)，而且金屬豐度的測量還基于不同質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)和不同的方法.本文的重點內(nèi)容之一是收集和整理老年疏散星團樣本，用一致的方法得到星團的金屬豐度參數(shù).具體而言，通過參考與匹配Gaia-DR2的數(shù)據(jù)，我們從不同巡天的數(shù)據(jù)中，收集了年齡在2 Gyr以上有成員星金屬豐度參數(shù)信息的疏散星團，并計算了成員星金屬豐度的平均值和中位值作為該疏散星團最終的金屬豐度.另外，我們還利用這個樣本，分年齡區(qū)間研究了銀盤徑向金屬豐度梯度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)4-8 Gyr的年齡區(qū)間內(nèi)的金屬豐度梯度最為陡峭，而2-4 Gyr的疏散星團所呈現(xiàn)的金屬豐度比4-8 Gyr的要平緩一些.對比Zhong等[10]樣本中年輕疏散星團得到的金屬豐度梯度，老年疏散星團得到的結(jié)果的確更加陡峭，所以銀盤徑向的金屬豐度梯度曾經(jīng)更加陡峭.該觀測結(jié)果為銀盤化學(xué)演化模型提供了更加嚴格的觀測約束，與模型結(jié)果的深入比較還有待進一步的研究.

致謝感謝ADS數(shù)據(jù)庫的協(xié)助，感謝中國科學(xué)院上海天文臺提供的學(xué)術(shù)氛圍及研究條件.