[論文レビュー] $\mathit{Chempy}$: A flexible chemical evolution model for abundance fitting - Do the Sun's abundances alone constrain chemical evolution models?

J. Rybizki, A. Just+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 98被引用数 16

ひとこと要約

Chempyは、パラメータ化された1ゾーンフレームワークを用いて星の元素分画をフィットする、柔軟なベイジアン化学進化モデルであり、モデルパラメータおよび核生成産出セットの完全な事後分布サンプリングを可能にする。このモデルは、IMFの高質量指数をα_IMF = −2.42⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁵（IMFの11.6⁺².¹₋₁.₆%がコアコラプス超新星として爆発する）に制約し、SN Iaの発生率を1000 M⊙あたり0.5–1.4に制約するが、依然として予測と観測の間で一致しない分画の不一致が残っており、これには未発見の核生成過程が関与している可能性がある。

ABSTRACT

Elemental abundances of stars are the result of the complex enrichment history of their galaxy. Interpretation of observed abundances requires flexible modeling tools to explore and quantify the information about Galactic chemical evolution (GCE) stored in such data. Here we present Chempy, a newly developed code for GCE modeling, representing a parametrized open one-zone model within a Bayesian framework. A Chempy model is specified by a set of 5-10 parameters that describe the effective galaxy evolution along with the stellar and star-formation physics: e.g. the star-formation history, the feedback efficiency, the stellar initial mass function (IMF) and the incidence of supernova type Ia (SN Ia). Unlike established approaches, Chempy can sample the posterior probability distribution in the full model parameter space and test data-model matches for different nucleosynthetic yield sets. We extend Chempy to a multi-zone scheme. As an illustrative application, we show that interesting parameter constraints result from only the ages and elemental abundances of Sun, Arcturus and the present-day interstellar medium (ISM). For the first time, we use such information to infer IMF parameter via GCE modeling, where we properly marginalize over nuisance parameters and account for different yield sets. We find that of the IMF $11.6_{-1.6}^{+2.1}$ % explodes as core-collapse SN, compatible with Salpeter 1955. We also constrain the incidence of SN Ia per 10^3 Msun to 0.5-1.4. At the same time, this Chempy application shows persistent discrepancies between predicted and observed abundances for some elements, irrespective of the chosen yield set. These cannot be remedied by any variations of Chempy's parameters and could be an indication for missing nucleosynthetic channels. Chempy should be a powerful tool to confront predictions from stellar nucleosynthesis with far more complex abundance data sets.

研究の動機と目的

• 複雑な星の分画データをベイジアンフレームワーク内でフィット可能な、柔軟でオープンソースの化学進化モデルを開発すること。
• 星形成歴、IMF、フィードバック効率、SN Ia発生率といったモデルパラメータの完全な事後分布サンプリングを可能にすること。
• 複数の核生成産出セットを同時にテスト・比較し、不確実性および系妥当効果を考慮すること。
• 太陽、アルクトゥルス、および周辺B型星の観測分画から、ネガティブパラメータを統合してIMFの高質量指数を制約すること。
• 予測と観測の間で持続する分画の不一致を特定し、未発見の核生成プロセスの可能性を示唆すること。

提案手法

• Chempyは、星形成歴、フィードバック、IMF、SN Ia発生率を記述する5〜10自由パラメータを持つパラメータ化された1ゾーン化学進化モデルを採用している。
• モデルパラメータの完全な事後分布をサンプリングするベイジアン推論フレームワークを用いており、不確実性の評価と統合が可能である。
• 複数の核生成産出セットをサポートしており、それらが観測分画をどれほど正確に再現できるかを直接比較可能である。
• マルチゾーン拡張により、異なる星に対して独立したISM進化歴を設定でき、共通する物理的パラメータの制約が向上する。
• 星の年齢情報を取り込み、分画測定と産出不確実性の共分散を考慮している。
• モデルは公開されており、SSPフィードバック出力を介してn体シミュレーションと統合可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適切にネガティブパラメータと産出不確実性を統合した場合、太陽の元素分画のみで初期質量関数（IMF）の高質量指数を制約できるか？
• RQ2 1000 M⊙の星形成に対して、Type Ia超新星の発生率はどの程度であり、産出セットの違いによってどのように変化するか？
• RQ3 太陽、アルクトゥルス、および周辺B型星の観測分画は、のちに銀河における星形成歴とフィードバック効率をどの程度制約できるか？
• RQ4 パラメータを最適化した後も、ナトリウムのような特定の元素について、予測と観測の間で一貫して不一致が残るのはなぜか？
• RQ5 Chempyのマルチゾーン拡張は、薄いディスクと厚いディスクといった異なる星族の化学増幅歴を明らかにできるか？

主な発見

• IMFの高質量指数はα_IMF = −2.42⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁵に制約され、これはIMFの11.6⁺².¹₋₁.₆%がコアコラプス超新星として爆発することに対応する。
• SN Iaの発生率は1000 M⊙あたり0.5–1.4イベントに制約され、以前のメタアナリシスと整合的だが、より高い精度である。
• SN Iaの遅延時間は3–6 Gyrに推定され、アルクトゥルスにおけるα増幅を説明するには、長寿命の前身星チャネルが必要であることを示唆している。
• 適切なパラメータ化と産出セットの変更を行っても、ナトリウムは一貫して過剰に予測されるため、未発見の核生成チャネルまたは不均一な混合の可能性がある。
• マルチゾーン拡張は、太陽、アルクトゥルス、B型星のそれぞれについて、異なるISM増幅歴を的確に回復でき、それらが異なる銀河的構成要素に関連していることを裏付けている。
• Chempyは、最小限のデータからIMFおよびSN Iaパラメータの堅牢で不確実性を考慮した推論を可能にし、分画調査の解釈におけるその強力さを示している。