[論文レビュー] Observational constraints on the origin of the elements. V. Non-LTE abundance ratios of [Ni/Fe] in Galactic stars and enrichment by sub-Chandrasekhar mass SNe

P. Eitner, M. Bergemann+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、264個の銀河的恒星におけるニッケルおよび鉄の非局所熱平衡（NLTE）モデルを用いて、準白色矮星質量型Ia超新星（SN Ia）が銀河の化学的進化に与える寄与を制約した。NLTE効果により、[Fe/H] ≈ -2における[ Ni/Fe]が約+0.15 dex上昇することが判明し、観測された[ Ni/Fe]傾向を再現するには、SN Iaイベントの75%が準白色矮星質量でなければならない。特に低金属量域におけるやや弱い反相関傾向が得られた。

ABSTRACT

We constrain the role of different SN Ia channels in the chemical enrichment of the Galaxy by studying the abundances of nickel in Galactic stars. We investigate four different SN Ia sub-classes, including the classical single-degenerate near-Chandrasekhar mass SN Ia, the fainter SN Iax systems associated with He accretion from the companion, as well as two sub-Ch mass SN Ia channels. The latter include the double-detonation of a white dwarf accreting helium-rich matter and violent white dwarf mergers. NLTE models of Fe and Ni are used in the abundance analysis. In the GCE models, we include new delay time distributions arising from the different SN Ia channels, as well as recent yields for core-collapse supernovae and AGB stars. The data-model comparison is performed using a Markov chain Monte Carlo framework that allows us to explore the entire parameter space allowed by the diversity of explosion mechanisms and the Galactic SN Ia rate, taking into account the uncertainties of the observed data. We show that NLTE effects have a non-negligible impact on the observed [Ni/Fe] ratios in the Galactic stars. The NLTE corrections to Ni abundances are not large, but strictly positive, lifting the [Ni/Fe] ratios by ~+0.15 dex at [Fe/H] =-2. We find that that the distributions of [Ni/Fe] in LTE and in NLTE are very tight, with a scatter of < 0.1 dex at all metallicities, supporting earlier work. In LTE, most stars have scaled-solar Ni abundances, [Ni/Fe] = 0, with a slight tendency for sub-solar [Ni/Fe] ratios at lower [Fe/H]. In NLTE, however, we find a mild anti-correlation between [Ni/Fe] and metallicity, and a slightly elevated [Ni/Fe] ratios at [Fe/H] < -1.0. The NLTE data can be explained by the GCE models calculated with a substantial, ~ 75%, fraction of sub-Ch SN Ia.

研究の動機と目的

• 観測された[ Ni/Fe]の元素比を用いて、準白色矮星質量型Ia超新星（SN Ia）がのくじら座銀河の化学的増殖に果たす役割を特定すること。
• 金属貧乏な銀河的恒星におけるニッケルおよび鉄の元素比決定に、非局所熱平衡（NLTE）効果が与える影響を評価すること。
• 多様なSN Iaチャネルと更新された核合成生成物を含む銀河化学進化（GCE）モデルと、観測された[ Ni/Fe]傾向を比較すること。
• マークフ・チェイン・モンテカルロ（MCMC）フレームワークを用いて、SN Iaの発生源が準白色矮星質量である割合を制約すること。
• NLTE補正を組み込むことで、LTEベースの元素比研究と観測された[ Ni/Fe]傾向との不一致を解消すること。

提案手法

• 264個の銀河的恒星の高分解能（R = 47,000）光学スペクトルを、Gaia eDR3の位置・距離測定と併せてGaia-ESO調査から取得した。
• Voronovら（2022）の更新された衝突データを用いて、FeおよびNiの非局所熱平衡（NLTE）放射線輸送モデルを適用し、NLTE元素比を計算した。
• 4つの異なるSN Iaチャネル（古典的単一降着系：Mch、SN Iaxに類似、二重爆発、激しい白色矮星合体）を組み込んだ銀河化学進化（GCE）モデルを構築した。
• 最近のSN Ia発生源モデルから導かれた遅延時間分布（DTD）を用いて、鉄族元素の時間依存的増殖を模擬した。
• 観測誤差を考慮し、SN Iaの割合、生成物、DTDの全パラメータ空間を探索するため、マークフ・チェイン・モンテカルロ（MCMC）フレームワークを用いた。
• 金属量の範囲[Fe/H] ≈ -2.5 から 0.5 におけるNLTEおよびLTEモデル予測と、観測された[ Ni/Fe]比を比較し、最良のSN Iaチャネル割合を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属貧乏な銀河的恒星における観測された[ Ni/Fe]元素比に、非局所熱平衡（NLTE）効果がどのように影響するか？
• RQ2 具体的に、準白色矮星質量または白色矮星質量のSN Ia発生源チャネルのうち、のくじら座銀河における観測された[ Ni/Fe]傾向を最もよく再現するのはどれか？
• RQ3 NLTE補正を組み込むことで、銀河化学進化における準白色矮星質量SN Iaイベントの推定割合はどのように変化するか？
• RQ4 Limongi & Chieffi（2018）とNomotoら（2013）の異なる星の生成物を用いたGCEモデルは、NLTE元素比を用いる際に観測された[ Ni/Fe]パターンを再現できるか？
• RQ5 推定された準白色矮星質量SN Iaの割合は、類似した元素比研究からの以前の制約と整合性があるか？

主な発見

• NLTE補正により、[Fe/H] ≈ -2における[ Ni/Fe]比が約+0.15 dex上昇し、ニッケルの元素比決定に顕著な影響があることが示された。
• NLTEにおける観測された[ Ni/Fe]比は、金属量に対してやや弱い反相関を示し、[Fe/H] ≤ -1.0の領域でわずかに高い値を示すが、LTEではほぼ太陽系の[ Ni/Fe]と一致する。
• NLTE [ Ni/Fe]データに最もよく合うGCEモデルでは、準白色矮星質量SN Iaの寄与が約75%である必要があり、Eitnerら（2020）の以前の制約と整合的である。
• 質量星の生成物にLimongi & Chieffi（2018）のものを用いたGCEモデルは、NLTE [ Ni/Fe]パターンをよく再現しており、低金属量域でわずかに太陽系を超える傾向を示し、太陽金属量に近づくにつれて平坦化する。
• 一方、Nomotoら（2013）の生成物を用いたモデルは、特に低金属量域で[ Ni/Fe]比を過小評価し、NLTEデータと一致しない。
• すべての金属量域で、LTEおよびNLTEの両方において[ Ni/Fe]比の散らばりが≤0.1 dexと非常に小さく、元素比測定の信頼性とGCEモデリングフレームワークの堅牢性を裏付けている。