[論文レビュー] Neutron-capture elements in dwarf galaxies III: A homogenized analysis of 13 dwarf spheroidal and ultra-faint galaxies

Moritz Reichert, C. J. Hansen+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 263被引用数 68

ひとこと要約

本研究では、ケック望遠鏡およびVLTの高分解能分光計測データを用いて、13個の矮小球状銀河（dSph）および超矮小銀河（UFD）の380個の恒星について、一貫した分析を実施した。α元素の普遍的な質量-金属量関係が明らかになり、2.1×10⁷M⊙から2.9×10⁵M⊙の銀河質量範囲において、r過程元素の生成に銀河質量の依存性がないことが判明した。これは、これらの系において、まれな核縮合超新星がr過程の主要な源である可能性を示唆している。

ABSTRACT

We present a large homogeneous set of stellar parameters and abundances across a broad range of metallicities, involving $13$ classical dwarf spheroidal (dSph) and ultra-faint dSph (UFD) galaxies. In total this study includes $380$ stars in Fornax, Sagittarius, Sculptor, Sextans, Carina, Ursa Minor, Draco, Reticulum II, Bootes I, Ursa Major II, Leo I, Segue I, and Triangulum II. This sample represents the largest, homogeneous, high-resolution study of dSph galaxies to date. With our homogeneously derived catalog, we are able to search for similar and deviating trends across different galaxies. We investigate the mass dependence of the individual systems on the production of $\alpha$-elements, but also try to shed light on the long-standing puzzle of the dominant production site of r-process elements. We use data from the Keck observatory archive and the ESO reduced archive to reanalyze stars from these $13$ dSph galaxies. We automatize the step of obtaining stellar parameters, but run a full spectrum synthesis to derive all abundances except for iron. The homogenized set of abundances yielded the unique possibility to derive a relation between the onset of type Ia supernovae and the stellar mass of the galaxy. Furthermore, we derived a formula to estimate the evolution of $\alpha$-elements. Placing all abundances consistently on the same scale is crucial to answer questions about the chemical history of galaxies. By homogeneously analysing Ba and Eu in the 13 systems, we have traced the onset of the s-process and found it to increase with metallicity as a function of the galaxy's stellar mass. Moreover, the r-process material correlates with the $\alpha$-elements indicating some co-production of these, which in turn would point towards rare core-collapse supernovae rather than binary neutron star mergers as host for the r-process at low [Fe/H] in the investigated dSph systems.

研究の動機と目的

• 13個の矮小球状銀河および超矮小銀河における一貫した、均質な星のパラメータおよび元素組成のカタログ作成を目的とし、化学的進化の比較的分析を可能にする。
• 広い質量範囲において、α元素および中性子捕獲元素の生成が銀河の恒星質量にどのように依存するかを調査すること。
• 低金属量系におけるBaおよびEuの組成を分析することで、r過程の天体的生成サイトという長年の謎を解明すること。
• 重いr過程元素の生成がα元素と相関するかどうかを検証し、二重中性子星合体と核縮合超新星のどちらがr過程の主な源であるかを区別する手がかりを得ること。
• 一貫した組成分析フレームワークを用いて、タイプIa超新星の発生と銀河恒星質量との間に信頼できる関係を確立すること。

提案手法

• ケック天文台およびESOアーカイブの高分解能分光計測データを再分析した。
• 1次元および局所熱力学的平衡（LTE）におけるスペクトル合成を用いて、星のパラメータ（Teff、log g、[Fe/H]、vsini）の自動推定を実施した。
• 鉄以外の全元素についてフルスペクトル合成を実施し、可能な範囲で非LTE補正を適用して精度を向上させた。
• 13個の銀河すべてにわたって一貫した原子線リストおよび組成合成手法を用いることで、最終的なカタログの均質性を確保した。
• パララックスを用いたベイズ的手法による距離推定を用いて、表面重力加速度を算出し、恒星の銀河内所属関係と一貫性を検証した。
• 測定誤差を考慮した上で、得られたパララックスと期待される銀河距離を比較することで、各dSphにおける恒星の所属確率を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 矮小球状銀河における銀河恒星質量とα元素の進化の間には、普遍的な関係が存在するか？
• RQ2 低金属量系において、r過程元素（Euを tracer として）の生成は、母銀河の恒星質量に依存するか？
• RQ3 dSphにおけるα元素の生成とr過程元素の強化の関係は何か。これはr過程の生成サイトにどのような示唆を与えるか？
• RQ4 均質な組成分析フレームワークを用いることで、タイプIa超新星の発生と銀河質量との間に信頼できる関連性を確立できるか？
• RQ5 Ba（s過程 tracer）およびEu（r過程 tracer）の組成は、金属量および銀河質量とともにどのように変化するか。これは初期の化学的強化にどのような情報を与えるか？

主な発見

• 13個のdSphおよびUFD銀河を対象とした分析により、広い質量および金属量の範囲で、銀河恒星質量とα元素の進化との間の普遍的関係が導出された。
• 2.1×10⁷M⊙から2.9×10⁵M⊙の銀河質量範囲において、r過程元素の生成に銀河の恒星質量の依存性は認められず、この範囲ではr過程の生成量が母銀河の質量に依存しないことが示された。
• r過程元素（Eu）とα元素との相関関係は、両者の共生成を示唆し、二重中性子星合体ではなく、まれな核縮合超新星が、この低金属量系におけるr過程の主な源である可能性を支持する。
• 均質化された組成カタログを用いることで、タイプIa超新星の発生と銀河恒星質量との間の関係を成功裏に確立し、定量的な質量依存性分析が可能になった。
• 従来の研究とは対照的に、Ba/Fe比に顕著な乖離が確認された。これは主に、Fe Iのλ6141.73 Åにおける線の重み付けの改善およびFe Iの混合補正の精度向上によるものである。
• 遠方の星に対しては、パララックスに基づく表面重力加速度の推定が信頼できないことが判明した。ベイズ的手法による距離推定では、1/πが距離を過剰に推定し、log g値に一貫性のない結果をもたらすことが明らかになった。