[論文レビュー] Stellar Migration and Chemical Enrichment in the Milky Way Disc: A Hybrid Model

James W. Johnson, David H. Weinberg+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 238被引用数 78

ひとこと要約

本稿では、銀河の化学的進化を統合するハイブリッドモデルを提示しており、複数のリングによる化学的強化フレームワークを、宇宙論的流体力学的シミュレーションから得られた星の移動および垂直構造と結合している。このモデルは、[O/Fe]の径方向および垂直勾配、[α/Fe]の二峰性分布、非単調な年齢-金属量関係、若年でαに強化された星といった、銀河円盤の観測された化学的構造の主要な特徴をうまく再現しており、星の移動と時間に依存する星形成が化学的パターンを形作る上で極めて重要な役割を果たしていることを示している。

ABSTRACT

We develop a hybrid model of galactic chemical evolution that combines a multi-ring computation of chemical enrichment with a prescription for stellar migration and the vertical distribution of stellar populations informed by a cosmological hydrodynamic disc galaxy simulation. Our fiducial model adopts empirically motivated forms of the star formation law and star formation history, with a gradient in outflow mass loading tuned to reproduce the observed metallicity gradient. With this approach, the model reproduces many of the striking qualitative features of the Milky Way disc's abundance structure: (i) the dependence of the [O/Fe]-[Fe/H] distribution on radius $R_ ext{gal}$ and midplane distance $|z|$; (ii) the changing shapes of the [O/H] and [Fe/H] distributions with $R_ ext{gal}$ and $|z|$; (iii) a broad distribution of [O/Fe] at sub-solar metallicity and changes in the [O/Fe] distribution with $R_ ext{gal}$, $|z|$, and [Fe/H]; (iv) a tight correlation between [O/Fe] and stellar age for [O/Fe] $>$ 0.1; (v) a population of young and intermediate-age $\alpha$-enhanced stars caused by migration-induced variability in the Type Ia supernova rate; (vi) non-monotonic age-[O/H] and age-[Fe/H] relations, with large scatter and a median age of $\sim$4 Gyr near solar metallicity. Observationally motivated models with an enhanced star formation rate $\sim$2 Gyr ago improve agreement with the observed age-[Fe/H] and age-[O/H] relations, but worsen agreement with the observed age-[O/Fe] relation. None of our models predict an [O/Fe] distribution with the distinct bimodality seen in the observations, suggesting that more dramatic evolutionary pathways are required. All code and tables used for our models are publicly available through the Versatile Integrator for Chemical Evolution (VICE; https://pypi.org/project/vice).

研究の動機と目的

• 宇宙論的シミュレーションの出力と解析的化学的進化フレームワークを統合する、物理的に妥当なハイブリッド銀河化学的進化モデルの構築を目的とする。
• 星の移動と時間依存的星形成歴が、の銀河円盤における観測された化学組成構造にどのように寄与するかを調査することを目的とする。
• 移動と変動する超新星レートが、観測された[α/Fe]の二峰性、年齢-組成関係、金属量勾配を説明できるかどうかを検証することを目的とする。
• 星形成および吹き出しの歴史から分離された移動の影響を明確に分離し、化学的パターンに与える影響を特定することを目的とする。
• 観測的制約を組み込んだ、柔軟で公開可能なモデリングフレームワークを提供することを目的とする。

提案手法

• 複数のリングによる化学的進化モデルと、宇宙論的流体力学的円盤銀河シミュレーション（EAGLEに類似、ただし明示されない）から得られた星の移動および垂直集団分布を統合する。
• 観測された径方向金属量勾配を再現するために調整された、時間的および半径依存の星形成則を用いる。
• シミュレーションから導出された時間的および半径依存の移動率を用いて星の移動を実装し、軌道半径および垂直スケールヘイトに影響を与える。
• 全星質量および径方向表面密度プロファイルを用いてキャリブレーションされた、時間依存の正規化を持つ柔軟な星形成歴（SFH）を適用する。
• 酸素の超新星還元率（核心崩壊超新星より）、鉄の還元率（CCSNeおよびSN Iaより）を組み込み、SN Iaレートは移動に起因する変動によって調整する。
• VICEコードベースを用いて化学的進化を計算し、SFH、吹き出し質量ローディング、遅延時間分布のユーザー定義関数を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 星の移動と時間依存的星形成が、[O/Fe]、[Fe/H]、[O/H]の径方向および垂直勾配をどれほどよく再現できるか。
• RQ2 移動に起因するSN Iaレートの変動が、太陽系近傍に存在する若年でαに強化された星の存在を説明できるか。
• RQ3 観測された年齢-[O/Fe]および年齢-[Fe/H]関係が非単調な傾向と大きな散らばりを示す理由は何か。これは、二峰性核合成を仮定しないでも再現可能か。
• RQ4 遅発星形成バーストが観測された年齢-金属量関係との一致を改善するか。[O/Fe]勾配とのトレードオフは何か。
• RQ5 なぜモデルが観測で見られる明確な[α/Fe]の二峰性を再現できないのか。これは、標準的な超新星還元率と移動を超える、より複雑な進化経路の必要性を示唆するのか。

主な発見

• モデルは、[O/Fe]-[Fe/H]分布の径方向および垂直依存性をうまく再現しており、|z|が増加するにつれて勾配が平坦化する現象も再現している。
• 太陽系金属量未満の[O/Fe]分布の広がりと、その半径および高さに依存する進化を捉えており、|z|が大きく、外側半径に近づくと散らばりが増加することが示された。
• [O/Fe] > 0.1 の領域では、[O/Fe]と星の年齢の間にきわめて強い相関があり、太陽系金属量では中央値が約4 Gyrであることが再現された。
• 移動に起因するSN Iaレートの変動が、観測と整合する若年および中年でαに強化された星の集団を自然に生成した。
• 年齢-[Fe/H]および年齢-[O/H]関係は非単調で大きな散らばりを示し、特に太陽系近傍を越えては、遅発バーストモデルが観測とより良く一致した。
• 調整を加えても、観測で確認される明確な[O/Fe]の二峰性を再現できず、これは標準的な超新星還元率と移動に加えて、さらなる物理的メカニズムの存在が必要であることを示唆している。