[論文レビュー] Genesis and evolution of dust in galaxies in the early Universe I. Modeling dust evolution in starburst galaxies

C. Gall, Anja C. Andersen+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2010

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用数 46

ひとこと要約

本研究は、核爆発型超新星（SNe）と巨星系列（AGB）星からのダスト生成、およびSNe衝撃波によるダスト破壊を追跡する化学的進化フレームワークを用いて、高赤方偏移銀河におけるダスト進化をモデル化している。その結果、400 Myr以内に10⁸ M☉を超えるダスト質量を生成するには、トップヘビーな初期質量関数（IMF）、高いSNeダスト生成率、および中程度のダスト破壊が不可欠であり、初期のダスト豊富化はSNeが支配的であることが判明した。

ABSTRACT

We have developed a numerical galactic chemical evolution model. The model is constructed such that the effect of a wide range of parameters can be investigated. It takes into account results from stellar evolution models, a differentiation between diverse types of core collapse SNe and the contribution of AGB stars in the mass range 3-8 Msun. We consider the lifetime-dependent yield injection into the ISM by all sources as well as dust destruction due to SN shocks in the ISM. We ascertain the temporal progression of the dust mass, the dust-to-gas and dust-to-metal mass ratios as well as other physical properties of a galaxy and study their dependence on the mass of the galaxy, the IMF, dust production efficiencies and dust destruction in the ISM. The amount of dust and the physical properties of a galaxy strongly depend on the initial gas mass available. Overall, while the total amount of dust produced increases with galaxy mass, the detailed outcome depends on the SN dust production efficiency, the IMF and the strength of dust destruction in the ISM. Dust masses are higher for IMFs biased towards higher stellar masses, despite the fact that these IMFs are more strongly affected by dust destruction in the ISM. The sensitivity to the IMF increases as the mass of the galaxy decreases. SNe are primarily responsible for a significant enrichment with dust at early epochs (< 200 Myr). Dust production with a dominant contribution by AGB stars is found to be insufficient to account for dust masses in excess of 10^8 Msun within 400 Myr after starburst. We find that galaxies with initial gas masses between 1-5 x 10^11 Msun are sufficiently massive to enable production of dust masses >10^8 Msun. Our preferred scenario is dominated by SN dust production in combination with top-heavy IMFs and moderate dust destruction in the ISM.

研究の動機と目的

• 高赤方偏移星形成暴走銀河における急速なダスト生成を可能にする天体物理学的条件を特定すること。
• 星形成開始後1 Gyr以内にSNeとAGB星がダスト質量の集積に果たす相対的寄与を評価すること。
• 初期質量関数（IMF）、ダスト破壊、銀河質量がダスト質量およびダスト対ガス比に与える影響を調査すること。
• 特大質量ブラックホール（SMBH）の成長が初期銀河のダスト含有量に与える影響を評価すること。
• 観測された10⁸ M☉を超えるダスト質量（z > 6銀河）を再現できるパラメータ空間（IMF、生成率、破壊）を同定すること。

提案手法

• 数値的化学的進化モデルが、SNeとAGB星からの時間に依存するダストおよび金属のISMへの注入を追跡する。
• 3–8 M☉の質量範囲における異なる核爆発型SNeタイプとAGB星の個別の生成率をモデルに組み込む。
• SNe残骸が引き起こすダスト破壊は、1つのSNe残骸あたりに巻き込まれるISM質量M_clでパラメータ化してモデル化する。
• Salpeter型、質量重視型、トップヘビー型、Larson型の異なる初期質量関数（IMF）を変化させ、IMFの感度を評価する。
• 銀河の初期ガス質量を5×10¹⁰から1.3×10¹² M☉の範囲で変化させ、質量依存性をテストする。
• 一部のモデルにSMBH成長を組み込み、質量吸着が利用可能なガスを減少させ、ダスト質量に影響を及ぼす可能性を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNeが400 Myr以内に10⁸ M☉を超えるダストを生成するには、どのようなIMFとダスト生成効率が求められるか？
• RQ2 SNe衝撃波によるダスト破壊は、高赤方偏移銀河における最終的なダスト質量にどのように影響するか？
• RQ3 AGB星だけが、初期の高赤方偏移銀河における観測されたダスト質量を説明できるか？
• RQ4 銀河の初期ガス質量は、そのダスト質量進化にどのように影響するか？
• RQ5 SMBH成長は、大規模な星形成暴走銀河におけるダスト含有量にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• 初期ガス質量が1–5×10¹¹ M☉の銀河は、400 Myr以内に10⁸ M☉を超えるダスト質量を生成するのに十分な質量を持つ。
• トップヘビーなIMFは、SNe衝撃波による破壊にさらされやすいが、高いSNeダスト生成率と組み合わせることでダスト生成を最大化する。
• 最初の200 Myr間、SNeがダスト豊富化の主因であり、高いSNe効率があれば10⁸ M☉のダストを生成可能である。
• AGB星だけでは、ダスト破壊が無視できるほど小さく、SNe効率が低い場合を除き、400 Myr以内に10⁸ M☉を超えるダストを生成できない。
• SNe衝撃波によるダスト破壊は、合計ダスト質量を顕著に減少させ、特にSNe率が高いトップヘビーなIMFのシナリオで最も強い減少が見られる。
• SMBH成長は、低質量銀河で低質量星を多く含むIMFの場合にのみ、ダスト質量を最大で約50％まで減少させるが、大質量系やトップヘビーなIMFの場合は効果が認められない。