[論文レビュー] Rapid Chemical Enrichment by Intermittent Star Formation in GN-z11

Chiaki Kobayashi, Andrea Ferrara|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、ジェイ・エイチ・ディー（JWST）による観測で示されたGN-z11（z=10.6）における超太陽系窒素酸素比（N/O比）を、100 Myrの静穏期をはさんで2回の強い星形成バーストが発生する間歇的星形成が説明できることを提案している。2回目のバーストから生じるウルフ・レイター星（最大120 M☉）が一時的に窒素（N）、フルオリン（F）、ナトリウム（Na）、アルミニウム（Al）、および13C や18O といった同素体を増強し、非常に質量の大きな星（VMS）や事前重元素化を仮定せずとも観測されたCNO比を再現できる。

ABSTRACT

We interpret the peculiar super-solar nitrogen abundance recently reported by the James Webb Space Telescope observations for GN-z11 ($z=10.6$) using our state-of-the-art chemical evolution models. The observed CNO ratios can be successfully reproduced -- independently of the adopted initial mass function, nucleosynthesis yields, and presence of supermassive ($>$1000$M_\odot$) stars -- if the galaxy has undergone an intermittent star formation history with a quiescent phase lasting $\sim$100 Myr, separating two strong starbursts. Immediately after the second burst, Wolf--Rayet stars (up to $120M_\odot$) become the dominant enrichment source, also temporarily ($<$1 Myr) enhancing particular elements (N, F, Na, and Al) and isotopes ($^{13}$C and $^{18}$O). Alternative explanations involving (i) single burst models, also including very massive stars and/or pair-instability supernovae, or (ii) pre-enrichment scenarios fail to match the data. Feedback-regulated, intermittent star formation might be common in early systems. Elemental abundances can be used to test this hypothesis and to get new insights on nuclear and stellar astrophysics.

研究の動機と目的

• ジェイ・エイチ・ディー（JWST）による観測で示された、太陽値を4倍以上上回る異常な高いN/O比を示すGN-z11（z=10.6）の理由を説明すること。
• 静穏期をはさんだ間歇的星形成が、非常に質量の大きな星（VMS）や事前重元素化を仮定せず、観測されたCNO元素の比を再現できるかどうかを検証すること。
• 初期銀河における急速な化学的進化を引き起こす要因としてのウルフ・レイター星の役割を評価すること。
• 化学的進化モデルを用いて、高赤方偏移銀河におけるフィードバック制御型でランダムな星形成の妥当性を評価すること。

提案手法

• さまざまな星形成歴を想定した最新の化学的進化モデルを用いて、銀河全体の元素比を再現した。
• GN-z11の観測されたCNO比を再現するために、100 Myrの静穏期をはさんで2回の明確な星形成バーストをモデル化した。
• 120 M☉までのウルフ・レイター星の核融合生成物を組み込み、バースト後の主な重元素化源とみなした。
• バースト持続時間、間隔、流入時間スケールを変化させた複数の設定をテストし、モデルの頑健性を評価した。
• 非常に質量の大きな星（VMS）や対安定性超新星（PISNe）を含む単一バーストモデル、および事前重元素化シナリオと比較した。
• 今後の観測的検証のため、同素体比（例：13C、18O）およびその他の元素比（F、Na、Al）を予測した。

Figure 1: Star formation history adopted by three different GCE models for GN-z11: single starburst (green short-dashed line); dual starburst (red solid); and single burst with pre-enrichment (blue long-dashed). The vertical dotted line denotes the observed epoch of GN-z11.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 Myrの静穏期をはさんだ間歇的星形成が、GN-z11で観測された超太陽系N/O比を再現できるか？
• RQ2 2回目のバーストから生じるウルフ・レイター星が、GN-z11で観測された窒素、フルオリン、ナトリウム、アルミニウムの増強を説明できるか？
• RQ3 非常に質量の大きな星（VMS）や対安定性超新星（PISNe）を含む単一バーストモデルが、観測されたCNO比を再現できないのはなぜか？
• RQ4 GN-z11の高金属量およびN/O比を説明するために、外部からの事前重元素化が必要か？
• RQ5 元素および同素体比のパターンが、初期銀河におけるフィードバック制御型でランダムな星形成の診断に役立つだろうか？

主な発見

• 初期質量関数、核融合生成物、超大質量星に依存しない、100 Myrの静穏期をはさんだ二段階バースト星形成歴によって、GN-z11の観測されたCNO比が良好に再現された。
• 120 M☉までのウルフ・レイター星が2回目のバースト直後から主要な重元素化源となり、N、F、Na、Alおよび13C や18O といった同素体の一時的な増強を引き起こした。
• ピークN/O比は2回目のバースト後1 Myr以内に達成され、短時間にわたる化学的特徴としての痕跡がすぐに消える可能性があることを示した。
• 非常に質量の大きな星（VMS）や対安定性超新星（PISNe）を含む単一バーストモデルでは観測データを再現できない：VMSはN/O比を十分に上昇させず、PISNeはN/O比を低下させる。
• 事前重元素化シナリオでも観測と一致しなかったため、内部からの間歇的バーストによる重元素化が必須であると示唆された。
• 本モデルは高いフルオリン濃度を予測しており、ALMAによる検証が可能である。また、超初期銀河でダストを除去する放射力駆動型アウトフローの存在を支持する。

Figure 2: Evolution of CNO abundance ratios (by number), compared to the observational data for GN-z11 (Cameron et al., 2023 , gray areas/bars) . Left panels : as a function of time, for the same models in Fig. 1 including WR stars and standard IMF. Middle panels : similar to the left panels but as