[論文レビュー] Planetary nebulae and HII regions in the spiral galaxy NGC 300. Clues on the evolution of abundance gradients and on AGB nucleosynthesis

G. Stasińska, M. Peña+2 more|Open Research Online (The Open University)|Jan 22, 2013

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 66被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、NGC 300における26個の惑星状星雲（PNe）および9個のコンパクトなH II領域の高分解能分光観測を行い、PNeはH II領域と比較して顕著に高いN/O比とより大きな元素含有量の分散を示すことが判明した。これは、第二対流循環以降の追加の核合成を示唆する。PNeにおけるO/H、Ne/H、Ar/He勾配が浅いことは、過去10億年間で金属量勾配が急峻化した可能性を示しており、これはおそらく径方向混合または回転駆動型混合を伴う原始星の進化によるものである。

ABSTRACT

We have obtained deep spectra of 26 planetary nebulae (PNe) and 9 compact HII regions in the nearby spiral galaxy NGC 300, and analyzed them together with those of the giant HII regions previously observed. We have determined the physical properties of all these objects and their He, N, O, Ne, S and Ar abundances in a consistent way. We find that, globally, compact HII regions have abundance ratios similar to those of giant HII regions, while PNe have systematically larger N/O ratios and similar Ne/O and Ar/O ratios. We demonstrate that the nitrogen enhancement in PNe cannot be only due to second dredge-up in the progenitor stars, since their initial masses are around 2--2.5\,\msun. An extra mixing process is required, perhaps driven by stellar rotation. Concerning the radial abundance distribution, PNe behave differently from HII regions: in the central part of the galaxy their average O/H abundance ratio is 0.15 dex smaller. Their abundance dispersion at any galactocentric radius is significantly larger than that shown by HII regions and many of them have O/H values higher than HII regions at the same galactocentric distance. This suggests that not only nitrogen, but also oxygen is affected by nucleosynthesis in the PN progenitors, by an amount which depends at least on the stellar rotation velocity and possibly other parameters. The formal O/H, Ne/H and Ar/He abundance gradients from PNe are significantly shallower that from HII regions. We argue that this indicates a steepening of the metallicity gradient in NGC 300 during the last Gyr, rather than an effect of radial stellar motions, although the large observed dispersion makes this conclusion only tentative.

研究の動機と目的

• 近傍のスパイラル銀河NGC 300における惑星状星雲（PNe）およびH II領域の化学的含有量を調査し、金属量勾配の進化を解明すること。
• 観測されたPNeにおける窒素の過剰が、第二対流循環を超える核合成、特に原始星における核合成に起因するかどうかを特定すること。
• PNeから導かれる含有量勾配がH II領域と系統的に異なるかどうかを評価し、スパイラル銀河の化学的進化に与える意味を明らかにすること。
• 星の回転と追加の混合プロセスが、PNe原始星の化学組成に果たす役割を検討すること。
• 特にイオン化補正係数とダスト吸着効果を考慮した場合、PNeにおける含有量決定の信頼性を評価すること。

提案手法

• VLTのFORS2装置を用いて、NGC 300における26個のPNeおよび9個のコンパクトH II領域の高SN比分光観測を実施した。
• 特に[O III] λ4363および[S II] λλ6717,6731を用いた衝突励起線（CELs）を用いて、電子温度および密度の物理的状態を決定した。
• 温度に基づく手法を用いてイオン含有量を計算し、ヘリウム、窒素、酸素、ネオン、硫黄、アルゴンの全元素含有量を求めるためにイオン化補正係数（ICFs）を適用した。
• 従来の画像調査による誤分類を是正するために、光度的候補PNeおよびH II領域を分光分類と照合した。
• PNeおよびH II領域の両者について、銀河中心からの半径に沿ったO/H、Ne/H、Ar/He比を比較することで、径方向含有量勾配を分析した。
• 特にPNeにおけるN/OおよびO/Hの過剰に及ぼす星の回転および追加の混合の影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NGC 300におけるPNeのN/O比は、H II領域よりもどの程度高いか。また、これは第二対流循環のみでは説明可能か。
• RQ2 NGC 300におけるPNeから導かれる径方向含有量勾配は、H II領域からのものとどのように異なるか。これは金属量勾配の進化にどのような意味を持つか。
• RQ3 なぜPNeでは、任意の銀河中心からの半径において、H II領域と比較してO/H含有量の分散が大きいのか。
• RQ4 星の回転が、CNO処理を受けて表面に到達する物質を運ぶ追加の混合を駆動する役割を果たすのか。
• RQ5 PNeにおける観測された浅い含有量勾配は、径方向星の運動によるものか、それとも過去10億年間に金属量勾配が実際に急峻化したためか。

主な発見

• NGC 300におけるPNeは、H II領域と比較して系統的に高いN/O比を示しており、これは窒素の過剰が第二対流循環のみでは説明できないことを示し、原始星質量（約2–2.5 M⊙）の推定と整合しない。
• NGC 300の中心領域において、PNeの平均O/H含有量比はH II領域よりも0.15 dex低い。これは酸素に対しても原始星における核合成の影響がある可能性を示唆する。
• 任意の銀河中心からの半径において、O/H、Ne/O、Ar/Oの含有量分散はPNeの方がH II領域よりも顕著に大きい。これは不均一な化学的増幅歴を示している。
• PNeから導かれる正式なO/H、Ne/H、Ar/He含有量勾配は、H II領域のそれよりも浅く（ほぼ平坦）、金属量勾配が過去10億年間で急峻化した可能性を示唆している。
• PNeにおける観測された含有量パターンは、星の回転によって駆動される追加の混合プロセスが、PNe段階以前にCNO処理を受けて表面に物質を運ぶことによって最もよく説明できる。
• PNeにおける硫黄含有量は励起度と非物理的な傾向を示しており、現在のS用のイオン化補正係数が不十分である可能性を示唆する。これは他の元素の含有量決定に対しても影響を及ぼす可能性がある。