[論文レビュー] Present-day cosmic abundances. A comprehensive study of nearby early B-type stars and implications for stellar and Galactic evolution and interstellar dust models

Mar ́ ia-Fernanda Nieva, N. Przybilla|MPG.PuRe (Max Planck Society)|Mar 26, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 112被引用数 231

ひとこと要約

本研究では、太陽に依存しない近隣の早期B型星29個の高分解能非局所熱平衡（non-LTE）分光測定を用いて、現在の宇宙元素組成基準（CAS）を確立した。効用温度の不確かさは1–2%、表面重力の不確かさは15%未塔であった。CASは、星間物質と星の組成の不一致を解消し、炭素が乏しくケイ酸塩を多く含む星間ダストの存在を明らかにした。また、大質量星におけるCNOサイクル混合のきびしい一致を確認し、太陽が銀河の内側から外側へ移動したという強力な証拠を示した。これは、銀河化学進化の過程を考慮しても、太陽の近い太陽系組成を説明できる。

ABSTRACT

Aims. A sample of early B-type stars in OB associations and the field within the solar neighbourhood is studied comprehensively. Present-day abundances for the astrophysically most interesting chemical elements are derived. Methods. High-resolution and high-S/N spectra of early B-type stars are analysed in NLTE. Atmospheric parameters are derived from the simultaneous establishment of independent indicators, from multiple ionization equilibria and the hydrogen Balmer lines. Results. Teff is constrained to 1-2% and logg to less than 15% uncertainty. Absolute values for metal abundances are determined to better than 25% uncertainty. The synthetic spectra match the observations reliably over almost the entire visual spectral range. Conclusions. A present-day cosmic abundance standard is established. Our results i) resolve the discrepancy between a chemical homogeneous local gas-phase ISM and a chemically inhomogeneous young stellar component, ii) facilitate the amount of heavy elements locked up in the interstellar dust to be constrained precisely: carbonaceous dust is largely destroyed inside the Orion HII region, unlike the silicates, and that graphite is only a minority species in interstellar dust -, iii) show that the mixing of CNO-burning products in the course of massive star evolution follows tightly the predicted nuclear path, iv) provide reliable present-day reference points for anchoring Galactic chemical evolution models to observation, and v) imply that the Sun has migrated outwards from the inner Galactic disk over its lifetime from a birthplace at a distance around 5-6 kpc from the Galactic Centre; a cancellation of the effects of Galactic chemical evolution and abundance gradients leads to the similarity of solar and present-day cosmic abundances in the solar neighbourhood, with a telltaling signature of the Sun's origin left in the C/O ratio. (ABRIDGED)

研究の動機と目的

• 太陽に依存しない、近隣の早期B型星のサンプルに基づいて、現在の宇宙元素組成基準（CAS）を確立すること。
• 太陽の周囲数百年の範囲内で、化学的に均一な星間ガスと不均一な若い星形成成分との間の長年の不一致を解消すること。
• 特に炭素含有およびケイ酸塩種の重元素が星間ダストにどれほど閉じ込められているかを正確に制約すること。
• 理論的モデルと観測された組成比を比較することで、大質量星の進化とCNOサイクル混合の予測を検証すること。
• CASが銀河化学進化および太陽の起源、特に径方向移動に与える影響を調査すること。

提案手法

• カラホおよびESOを含む複数の観測所から、太陽系近傍の29個の滑らかなラインを示す早期B型星の高分解能・高信噪比分光測定を取得した。
• 非局所熱平衡（non-LTE）分光解析を用いて、イオン化平衡、Balmer線フィット、および合成スペクトルエネルギー分布（SED）フィットを用いて大気パラメータ（Teff、log g、微乱流および拡散乱乱流）を導出した。
• 視差を分光的に計算し、新しいヒッパルコスの再処理と照合することで一貫性を確認した。
• ヘリウム、炭素、窒素、酸素、ネオン、マグネシウム、ケイ素、鉄の組成を、詳細なモデル大気および合成スペクトルを用いて不確かさ25%未塔で導出した。
• CASは29個の星の組成の平均として構築され、内部散乱は10%未塔であった。これは、局所の若い星形成群における化学的均一性を示している。
• ダスト相の制約は、観測された星間物質組成とH II領域（例：オリオン）の組成を比較することで得られ、炭素含有種の不揮発性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽に依存しない早期B型星のサンプルから、現在の宇宙元素組成基準を確立できるか？
• RQ2 なぜ太陽系近傍の早期B型星は、以前の報告が不均一性を示唆していたにもかかわらず、化学的に均一に見えるのか？
• RQ3 重元素はどれほど星間ダストに不揮発され、局所星間媒体（ISM）における主要なダスト組成は何か？
• RQ4 大質量星における観測されたCNO組成比は、CNOサイクルの予測された核反応経路に従っているか？
• RQ5 太陽と現在の宇宙元素組成の類似性は、太陽の起源および銀河内移動にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 29個の早期B型星において、平均組成のばらつきが10%未塔である現在の宇宙元素組成基準（CAS）が確立され、局所の若い星形成群における化学的均一性が確認された。
• オリオンH II領域では炭素含有ダストがほとんど破壊されており、グラファイトは星間ダストの主要成分ではないことが示され、ケイ酸塩およびPAHs（多環芳香族炭化水素）が支配的である。
• CASにおけるC/O比は太陽のそれよりも約50%高い。これは、太陽が銀河中心から5–6 kpcの内側銀河ディスクで生まれたという重要な証拠である。
• 星々における観測されたCNO組成比は、CNOサイクルの予測された核反応経路に非常に高い精度で従っており、大質量星におけるCNO処理物質の効率的混合が確認された。
• CASはほとんどの元素について太陽組成と優れた一致を示したが、C/O比の不一致は、太陽が銀河中心から外側へ移動したことで、銀河化学進化の影響を相殺した可能性を示唆している。
• CASは、特に太陽系近傍における核合成の終点を規定するモデルを固定化するための、最も正確で信頼性の高い基準を提供している。