A first robust star formation history of the solar neighbourhood within 100 pc using the Gaia Catalogue of Nearby Stars

Abstract

Para descifrar la compleja historia de la V´ıa L´actea y comprender c´omo era originalmente y cual ha sido su evoluci´on, la arqueolog´ıa gal´actica examina los registros f´osiles de nuestra galaxia mediante observaciones detalladas de las estrellas, el gas y otras estructuras. Uno de los componentes clave para rastrear la formaci´on y evoluci´on de las galaxias es la llamada Historia de Formaci´on Estelar, que revela c´omo y cu´ando se formaron las estrellas a lo largo de la vida de la galaxia. En este trabajo proporcionamos por primera vez la Historia de Formaci´on Estelar (SFH) detallada del Gaia Catalogue of Nearby Stars (GCNS), una esfera de 100 pc en la vecindad solar con objetos muy bien caracterizados utilizando la alta calidad de los datos de Gaia eDR3. Los Diagramas de Color-Magnitud en el plano absoluto (aCMDs) albergan informaci´on de las poblaciones estelares, lo cual los convierte en una excelente herramienta para determinar las SFHs. En el presente proyecto empleamos una t´ecnica actualizada de ajuste del aCMD a trav´es de la comparaci´on entre el aCMD observado y los aCMDs sintetizados seg´un las predicciones te´oricas de librer´ıas de evoluci´on estelar. Para familiarizarnos con los datos, examinamos el aCMD del GCNS realizando un primer estudio de las poblaciones estelares. En ´el, identificamos las estrellas con velocidades radiales v´alidas y las clasificamos seg´un la componente gal´actica a la que pertenec´ıan: disco fino, grueso o halo. Adem´as, verificamos la calidad de los datos y comprobamos que los errores de la distancia y la magnitud aparente G aumentaban a medida que los objetos eran m´as distantes y m´as d´ebiles, respectivamente. Tambi´en estudiamos los efectos de la extinci´on interestelar que resultaron ser despreciables. Finalmente, probamos las caracter´ısticas generales de las estrellas contenidas en el cat´alogo mediante la superposici´on de isocronas de diferentes edades y metalicidades usando dos librer´ıas estelares distintas: la de BaSTI y la de PARSEC. En esta ´ultima prueba detectamos que los modelos estelares de BaSTI presentaban una apreciable discrepancia hacia el azul en relaci´on con los datos observacionales, localizada en la baja secuencia principal del aCMD. Esta desviaci´on result´o estar vinculada con el c´alculo de las correcciones bol´ometricas y se resolvi´o implementando correcciones adicionales actualizadas. A pesar de que esta regi´on no afecta a la determinaci´on de la SFH que nos ocupa, cerciorarnos de este problema promovi´o la mejora en la calidad de la librer´ıa, lo cual es de gran importancia para futuros trabajos La misi´on Gaia destaca por la precisi´on sin precedentes de sus datos astrom´etricos y fotom´etricos. Aunque su poder de resoluci´on es alto, Gaia detecta algunas binarias como estrellas individuales que son m´as brillantes de lo que deber´ıan, dando lugar a un flujo que es en realidad la suma de los flujos de las dos estrellas que componen el sistema. Estos sistemas binarios trazan una banda paralela a la secuencia principal desplazada hacia magnitudes m´as brillantes. Una parte importante de nuestro trabajo consisti´o en utilizar el conjunto de datos del GCNS para estimar la poblaci´on local de binarias no resueltas. Este an´alisis se llev´o a cabo mediante el c´alculo de diferentes SFHs usando distintos aCMDs sintetizados variando las fracciones de binarias y ratios de masas de las compa˜neras secundarias. Posteriormente se compararon las distribuciones estelares en la secuencia principal y en la secuencia de binarias no resueltas del aCMD observado y de los diferentes aCMDs soluci´on. Esto permiti´o acotar las caracter´ısticas de la poblaci´on de binarias no resueltas en el GCNS, en t´erminos de fracci´on de binarias y distribuci´on de masa de las secundarias. En nuestros c´alculos tuvimos en cuenta los modelos estelares de BaSTI y PARSEC, tambi´en aCMD sint´eticos con diferente n´umero de estrellas, experimentamos con diferentes parametrizaciones de binarias no resueltas y finalmente tuvimos en cuenta distintos par´ametros de entrada para el c´odigo de ajuste de la SFH. A lo largo de todo el proceso, las diferentes SFHs resultantes nos permitieron comprobar en qu´e medida afectan a la soluci´on los distintos par´ametros seleccionados. Observamos que las principales particularidades de las SFHs obtenidas se conservaban. A´un as´ı, elegimos los par´ametros que proporcionaron soluciones m´as detalladas y que, a su vez, hac´ıan m´as eficiente la ejecuci´on del c´odigo, y procedimos con la derivaci´on de la SFH precisa de la muestra. La SFH del GCNS es principalmente la historia de formaci´on estelar del disco fino ya que la mayor´ıa de las estrellas de este volumen pertenecen a esta componente. Los ingredientes que adoptamos tras el muestreo para extraer la SFH completa fueron un diagrama sint´etico de 100 millones de estrellas calculado con la librer´ıa BaSTI, considerando una fracci´on de binarias de 0.3 y una distribuci´on de masas de las secundarias entre 0.1 y 1 veces la masa de la primaria. Y por otro lado, en cuanto a los par´ametros introducidos en el c´odigo, consideramos pesos uniformes en todas las regiones del aCMD y limitamos nuestros c´alculos a magnitudes G absolutas, MG = 4 mag. Las principales caracter´ısticas de la SFH calculada resultaron ser: ´epocas con episodios de formaci´on estelar (Star Formation Rates (SFRs)) situados entorno a 0.5, 2.3, 5.5 y posiblemente a 10 Gyrs, distribuciones de metalicidades con un pico significativo entorno a metalicidades solares y, por ´ultimo, estructuras diferenciadas en el plano de edad-metalicidad, entre las cuales destacamos una poblaci´on vieja poco met´alica que podr´ıan ser estrellas del halo y otra sobredensidad de 3 Gyrs de edad y [Fe/H]=-0.6. Tras comparar nuestras soluciones con publicaciones de estudios realizados en este campo, pudimos verificar elementos coincidentes, reforzando as´ı la confianza en nuestros resultados.

We aim to determine for the first time the accurate Star Formation History (SFH) of the the Gaia Catalogue of Nearby Stars (GCNS), a clean and wellcharacterised bubble of 100 pc radius from the Sun, using the high quality Gaia eDR3 data. Since Colour-Magnitude Diagrams in the absolute plane (aCMDs) harbour information of stellar populations, they are an excellent tool to retrieve SFHs. Therefore, we employed an updated aCMD-fitting technique through the comparison between the observed aCMD and the aCMDs synthesised according to the predictions of stellar evolution libraries. Special attention was given to the local unresolved binary systems residing below the old Main Sequence (MS) turn-off point, tracing a brighter and parallel band to the MS where single stars lie. We seeked for the best fit of the synthetic binary population to the data by exploring different binary fractions and mass ratios in the models. Additionally, we tested other parameters intrinsic to the code and others in relation to the synthesised diagrams to find the best configuration and derive the SFH of the data-set. Our study suggested that the best binary recipe in concert with the observational data was a binary fraction of 0.3 and a minimal mass ratio of 0.1, together with the simulation of a 100 million star mother diagram using BaSTI. We found that the GCNS mainly comprises solar-metallicity stars and experienced several star formation epochs (around 0.5, 2.3, 5.5 and possibly 10 Gyrs) combined with quiescent periods. Other particular features regarding the Star Formation Rate (SFR) in the age-metallicity plane revealed structures like a low density of metal-poor and old stars possibly reflecting the halo population, and a stellar over-density of approximately 3 Gyrs old with [Fe/H]=-0.6. All these characterisations are in good agreement with previous studies of other data volumes of the Milky Way.