[論文レビュー] Formation and Evolution of the Dust in Galaxies. I. The Condensation Efficiencies

L. Piovan, C. Chiosi+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、観測データに照らしてキャリブレーションされた理論的モデルを用いて、AGB星および超新星における難揮発性元素（C、O、Mg、Si、S、Ca、Fe）の凝縮効率に関する包括的なデータベースを提示する。これにより、金属量や星間媒体（ISM）密度の変化に応じて各元素がどれだけ粉塵に凝縮するかを定量化でき、宇宙の歴史にわたる銀河内粉塵進化モデルの正確な推定が可能になる。CNT近似法は、既知の限界があるものの、安定した一致を示している。

ABSTRACT

The growing interest in the high-z universe, where strongly obscured objects are present, has determined an effort to improve the simulations of dust formation and evolution in galaxies. Three main basic ingredients enter the problem influencing the total dust budget and the mixture of the dust grains: the types and amounts of dust injected by AGB stars and SNae and the accretion/destruction processes of dust in the ISM. They govern the relative abundances of the gas and dust in the ISM. In this study, we focus on star-dust and present a database of condensation efficiencies for the refractory elements C, O, Mg, Si, S, Ca and Fe in AGB stars and SNae that can be easily applied to the gaseous ejecta, in order to determine the amount and kind of refractory elements locally embedded into dust and injected into the ISM. The best theoretical recipes available nowadays in literature to estimate the amount of dust produced by SNae and AGB stars have been discussed and for SNae compared to the observations to get clues on the problem. The condensation efficiencies have been analyzed in the context of a classical chemical model of dust formation and evolution in the Solar Neighbourhood and Galactic Disk. Tables of coefficients are presented for (i) AGB stars at varying the metallicity and (ii) SNae at varying the density n_H of the ISM where the SNa explosions took place. In particular, we show how the controversial CNT approximation widely adopted to form dust in SNae, still gives good results and agrees with some clues coming from the observations. A new generation of dust formation models in SNae is however required to solve some contradictions recently emerged. A simple database of condensation efficiencies is set up to be used in chemical models including the effect of dust and meant to simulate galaxies going from primordial proto-galaxies to those currently seen in the local universe.

研究の動機と目的

• 星の噴出物における主要な難揮発性元素の信頼性の高い、ユーザーフレンドリーな凝縮効率データベースの構築。
• 更新された理論的レシピと観測制約を組み込むことで、銀河化学進化モデルにおける粉塵形成モデリングの精度を向上。
• 最近の観測的証拠を踏まえて、超新星における粉塵形成に広く用いられているCNT近似法の妥当性を評価。
• AGB星の金属量（金属量）と超新星のISM密度（n_H）の変化に伴う粉塵産出量の依存関係を定量化。
• 原始的銀河から現在の宇宙までの銀河内粉塵進化のシミュレーションを支援。

提案手法

• Ferrarotti & Gail (2006) のAGB星における粉塵凝縮の理論的モデルを採用し、8つの金属量（Z = 0.001 から 0.04）および27つの星質量（1–7 M⊙）にわたって補間・外挿処理。
• C/O比に応じて粉塵形成種をM星（酸化物）、S星（SiO₂、Fe）、C星（C、SiC、Fe）に分類し、それぞれに固有の化学的産出量方程式を設定。
• 超新星における粉塵形成モデルを観測的制約に照らしてキャリブレーションし、SN噴出物における粉塵凝縮のCNT近似法の妥当性を検証。
• 分子化学计量に基づく質量収支方程式を用いて、元素の質量のうち粉塵に凝縮する割合（凝縮効率δ）を導出。
• 原子質量Aと粉塵種の分子質量Aを用いて、元素固有の粉塵産出量方程式（例：M_i(O), M_i(Si)）を構築。
• 母星ごとの粉塵産出量を体系的に計算するフレームワークを構築し、銀河の化学進化モデルへの統合を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AGB星における主要な難揮発性元素（C、O、Mg、Si、S、Ca、Fe）の凝縮効率は、金属量の変化にどのように依存するか？
• RQ2 超新星からの粉塵産出量は、周囲のISM密度（n_H）にどのように依存するか？
• RQ3 最近の観測データを踏まえると、超新星粉塵形成に広く用いられているCNT近似法は依然として有効であるか？
• RQ4 さまざまな銀河環境において、星間媒体内での粉塵付加および破壊プロセスと、星からの粉塵供給がどれほどバランスをとれるか？
• RQ5 多段階化学進化モデルに使用可能な、標準的かつモジュラーな凝縮効率データベースをどのように構築できるか？

主な発見

• AGB星における凝縮効率は、8つの金属量（Z = 0.001 から 0.04）および27つの質量（1–7 M⊙）にわたって提供され、多様な金属量の銀河における粉塵生成のモデリングを可能にする。
• 超新星においては、凝縮効率がISM密度（n_H）に強く依存しており、密度が高いほど凝縮効率が高くなる。
• 超新星における粉塵形成のCNT近似法は、既知の理論的不整合があるものの、観測的証拠と整合的である。
• 本研究では、現在の超新星粉塵モデルに未解決の矛盾が存在することを特定し、次世代の粉塵形成モデルの開発が急務であることを示唆している。
• 原始的銀河から現在の銀河までのシステムに適用可能な、完全でモジュラーな凝縮係数データベースが確立された。
• 元素固有の粉塵産出量方程式が導出・検証され、元素の分画組成と分子化学计量に基づき、母星ごとの粉塵質量供給を正確に計算可能となった。