[論文レビュー] Dust depletion of of metals from local to distant galaxies II: Cosmic dust-to-metal ratio and dust composition

Christina Konstantopoulou, A. De+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2023

Astrophysics and Star Formation StudiesPhysics and Astronomy参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、銀河のミルキーウェイから高赤方偏移のダムプド・ライマンアルファ吸収体（DLAs）まで、宇宙的チリの金属に対する比（DTM）およびガスに対する比（DTG）とチリの組成を推定するための新規手法を提示する。DTMおよびDTGは金属量と[Zn/Fe]に従って増加しており、チリの成長が主なチリ生成機構であることを示唆し、酸素、鉄、ケイ酸塩、マグネシウム、炭素、硫黄、ニッケル、アルミニウムが主なチリ寄与要素である。また、星からのチリ生成量は金属生成量の約1%にとどまると示唆している。

ABSTRACT

The evolution of the cosmic dust content and the cycle between metals and dust in the interstellar medium (ISM) play a fundamental role in galaxy evolution. The chemical enrichment of the Universe can be traced through the evolution of the dust-to-metals ratio (DTM) and the dust-to-gas ratio (DTG) with metallicity. We use a novel method to determine mass estimates of the DTM, DTG and dust composition based on our previous measurements of the depletion of metals in different environments (the Milky Way, the Magellanic Clouds, and damped Lyman-$α$ absorbers, DLAs, toward quasars and towards gamma-ray bursts, GRBs), which were calculated from the relative abundances of metals in the ISM through absorption-line spectroscopy column densities observed mainly from VLT/UVES and X-shooter, and HST/STIS. We derive the dust extinction from the estimated dust depletion ($A_{V, m depl}$) and compare with the $A_{V}$ from extinction. We find that the DTM and DTG ratios increase with metallicity and with the dust tracer [Zn/Fe]. This suggests that grain growth in the ISM is a dominant process of dust production. The increasing trend of the DTM and DTG with metallicity is in good agreement with a dust production and evolution model. Our data suggest that the stellar dust yield is much lower than the metal yield and thus that the overall amount of dust in the warm neutral medium that is produced by stars is much lower. We find that $A_{V, m depl}$ is overall lower than $A_{V, m ext}$ for the Milky Way and a few Magellanic Clouds lines of sight, a discrepancy that is likely related to the presence of carbonaceous dust. We show that the main elements that contribute to the dust composition are, O, Fe, Si, Mg, C, S, Ni and Al for all the environments. Abundances at low dust regimes suggest the presence of pyroxene and metallic iron in dust.

研究の動機と目的

• ミルキーウェイから高赤方偏移DLAsに至る多様な銀河的環境における宇宙的チリ-金属比（DTM）およびチリ-ガス比（DTG）を特定すること。
• 金属量および[Zn/Fe]濃度に依存するDTMおよびDTGの依存関係を分析することで、星間空間におけるチリの成長がチリ生成にどの程度寄与しているかを調査すること。
• さまざまな環境における個々の元素（f_M_X）による質量分率としてのチリの組成を推定すること。
• 観測された減光（A_V,ext）とチリの希釘度から導かれる減光（A_V,depl）を比較し、チリの形態に起因する不一致を特定すること。
• 星からのチリ生成量が全金属生成量に対してどの程度の寄与をしているかを評価し、従来の推定値に疑問を呈すること。

提案手法

• VLT/UVES、X-shooter、HST/STISからの吸収線分光法を用い、星間媒体（ISM）における金属の柱密度を測定することで、元素の希釘度を計算可能にする。
• 観測された希釘度から、チリが希釘度を示す元素から形成されるという仮定の下、質量ベースの新規手法を用いてDTMおよびDTG比を導出する。
• 全元素の希釘度からA_V,deplを推定し、希釘度と減光の関係を用いる。これと、写真測光データから得られるA_V,extとを比較する。
• 各元素Xのチリ質量分率（f_M_X）を、Xから形成されたチリ質量を全チリ質量で正規化することで計算する。
• ミルキーウェイ、大・小マゼラン雲、およびGRBおよびクェーサー-DLAsからのデータを用いて、金属量（[M/H]_tot）および[Zn/Fe]に伴うDTMおよびDTGの傾向を分析する。
• 特に星間空間におけるチリ成長を含む、流体力学的チリ進化モデルとの整合性を検証する。

Figure 1 : (Top): Dust-to-metal ratio as a function of the dust tracer [Zn/Fe]. (Bottom): Dust-to-gas ratio as a function of [Zn/Fe]. The black triangles are for QSO-DLAs, the purple squares are for the LMC, the blue triangles are for the SMC, the orange diamonds for the GRB-DLAs and the green circl

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミルキーウェイから高赤方偏移DLAsに至る銀河において、チリ-金属比（DTM）は金属量にどのように依存するか？
• RQ2 星間空間におけるチリの成長がチリ生成にどの程度寄与しているか、金属量および[Zn/Fe]に依存するDTMおよびDTGの依存関係からどのように評価できるか？
• RQ3 さまざまな銀河的環境における星間チリの組成は、個々の元素（例：酸素、鉄、ケイ酸塩、炭素）による質量寄与率としてどのようになるか？
• RQ4 なぜ一部の環境（例：ミルキーウェイや特定のマゼラン雲の線分）ではA_V,deplがA_V,extよりも系統的に低くなるのか？
• RQ5 推定された星からのチリ生成量は全金属生成量と比べてどの程度のものか。これはチリ生成メカニズムにどのような示唆をもたらすか？

主な発見

• チリ-金属比（DTM）およびチリ-ガス比（DTG）は金属量および[Zn/Fe]に従って増加しており、金属量範囲（-2 ≤ [M/H]_tot ≤ 0.5）および赤方偏移範囲（0.6 < z < 6.3）において、チリの成長が主なチリ生成機構であることを支持する。
• 星からのチリ生成量は全金属生成量の約1%にとどまると推定されており、チリ生成に星からの寄与が従来の推定値よりも著しく低いことを示唆している。
• ミルキーウェイおよび一部のマゼラン雲の線分において、A_V,deplはA_V,extよりも系統的に低く、これは密度が高く冷たい中性ガスクラスタに存在するカーボナスチリが希釘度に基づく減光推定に完全に反映されていない可能性を示唆している。
• 大多数の環境ではA_V,deplとA_V,extの間に良好な一致が見られ、本手法が多様なISM条件において一貫性を示していることを裏付けている。
• 全チリ質量に占める寄与率が1%以上の主なチリ寄与要素は、酸素、鉄、ケイ酸塩、マグネシウム、炭素、硫黄、ニッケル、アルミニウムであり、ケイ酸塩、マグネシウム、炭素は全チリ質量にほぼ同等の寄与をしている。
• クェーサーおよびGRB-DLAsのような低チリ環境では、チリの組成が pyroxene および金属鉄を示しており、低金属量におけるチリの鉱物学的性質が異なることを示唆している。

Figure 2 : (Top): Dust-to-metal ratio as a function of the total dust-corrected gas metallicity [ M / $\rm{H}$ ] tot . (Bottom): Dust-to-gas ratio as a function of the total dust-corrected gas metallicity [ M / $\rm{H}$ ] tot . The symbols are the same as in Fig. 1 . For the Milky Way metallicities