[論文レビュー] Formation and Evolution of the Dust in Galaxies. III. The Disk of the Milky Way

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 3

ひとこと要約

本研究では、銀河系の星間媒体における化学進化モデルに、超新星、AGB星、および星間ダスト付着からの寄与を組み込んだ、銀河系ディスク全域におけるダスト形成と進化を含めた拡張がなされた。モデルは、ガスおよびダストの観測された径方向濃度勾配をうまく再現し、長期的には星間媒体におけるダスト成長が星からの寄与を上回ることを示しており、シリカ系および炭素系ダストの割合は、銀河中心からの半径および時間とともに体系的に変化している。

ABSTRACT

Models of chemical evolution of galaxies including the dust are nowadays required to decipher the high-z universe. In a series of three papers we have tackled the problem and set a modern chemical evolution model. In the first paper (Piovan et al., 2011a) we revised the condensation coefficients for the elements that typically are present in the dust. In the second paper (Piovan et al., 2011b) we have implemented the dust into the Padova chemical model and tested it against the observational data for the Solar Neighbourhood. In this paper we extend it to the whole Disk of the Milky Way (MW). The Disk is used as a laboratory to analyze the spatial and temporal behaviour of (i) several dust grain families with the aid of which we can describe the ISM, (ii) the abundances in the gas, dust, and total ISM of the elements present in the dust and (iii) the depletion of the same elements. The temporal evolution of the dust and gas across the Disk is calculated under the effect of radial flows and a central Bar. The gradients of the abundances of C, N, O, Mg, Si, S, Ca and Fe in gas and dust across the Disk are derived as a function of time. The theoretical gradients nicely reproduce those derived from Cepheids, OB stars, Red Giants and HII regions. This provides the backbone for the companion processes of dust formation and evolution across the Disk. We examine in detail the contributions to dust by AGB stars, SNae and grain accretion in the ISM at different galacto-centric distances. Furthermore, we examine the variation of the ratio silicates/carbonaceous grains with time and position in the Disk. Finally, some hints about the depletion of the elements in regions of high and low SFR (inner and outer Disk) are presented. The results obtained make it possible to extend the model to other astrophysical situations or different theoretical models like the chemo-dynamical N-Body simulations.

研究の動機と目的

• 太陽系近傍を越えて、銀河系ディスク全体にわたるダストを含む化学進化モデルを拡張すること。
• ディスク全域におけるダスト粒子群（シリカ系、炭素系、鉄系）の空間的・時間的進化を調査すること。
• セフェイド、OB星、赤色特大星、およびHII領域からの観測データを用いて、ガスおよびダストの濃度勾配を観測と一致させる。
• 異なる銀河中心からの半径における総ダスト予算に寄与する超新星、AGB星、および星間ダスト付着の相対的寄与を分析すること。
• 内側ディスクおよび外側ディスクにおける星形成率と金属量の違いに応じて、元素のダストへの吸着がどのように変化するかを検討すること。

提案手法

• インフィルと径方向流れを含むパドヴァ化学進化モデルを改変し、主要元素（C, N, O, Mg, Si, S, Ca, Fe）の凝縮係数を再評価してダスト進化を組み込んだ。
• Ia型および核心崩壊型超新星（SNe）からの時間依存的ダスト生成、AGB星からの寄与、星間媒体における付着によるダスト成長を追跡した。
• 径方向流れと中心バーレールを組み込んでディスクの動的進化を模擬し、金属量およびダスト分布に影響を与えた。
• 要素およびダスト質量の時間的進化を記述する連立微分方程式を解き、ガス相およびダスト相の濃度勾配を計算した。
• セフェイド、OB星、赤色特大星、HII領域からの観測データを用いて、モデル出力を制約および検証した。
• シリカ系ダストと炭素系ダストの比のディスク全域における進化をシミュレートし、金属量および星形成歴と関連づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C, N, O, Mg, Si, S, Ca, Feのガスおよびダストの濃度勾配が、モデルと観測結果とでどのように一致するか、銀河系ディスク全域で比較されるか。
• RQ2 異なる銀河中心からの半径および時代における、超新星、AGB星、星間ダスト付着が総ダスト質量に与える相対的寄与は何か。
• RQ3 シリカ系ダストと炭素系ダストの比は、時間およびディスク内での位置に応じてどのように変化し、その変化を引き起こす要因は何か。
• RQ4 特に高星形成率と低星形成率、高金属量と低金属量の領域を比較して、ダストへの吸着はどのように変化するか。
• RQ5 一貫したダスト形成および進化の物理法則を用いて、モデルはセフェイド、HII領域、赤色特大星などの多様な星間およびイオン化領域における観測された濃度勾配を再現できるか。

主な発見

• 太陽系近傍で有効であった同一のパラメータを用いて、C, N, O, Mg, Si, S, Ca, Feのガスおよびダストの濃度勾配が、銀河系ディスク全域で観測結果とよく一致した。
• 初期の銀河では超新星がダスト生成を支配しており、特に内側領域で顕著であるが、時間の経過とともに星間ダスト付着が主な寄与源となり、特に内側ディスクで顕著である。
• AGB星は低金属量の外側領域で炭素系ダストに顕著な寄与を示すが、高金属量の内側領域では酸化物を主体とするダストに切り替わる。
• ダスト質量の径方向分布はガス分布に従い、中心部にピークを持ち、外側に向かって負の勾配を示す。これは中心部の金属量と星形成率の高さに起因する。
• 外側部では、低金属量のAGB星からの長期間にわたる注入と、外側ディスクにおける星間媒体付着の遅延発現により、炭素系ダストの割合が増加する。
• 内側ディスクでは、密度と星形成率の高さによりダストへの吸着が強く、外側部では吸着効率が低くなる。これは観測傾向と一致している。