[論文レビュー] The Complex Chemical Abundances and Evolution of the Sagittarius Dwarf Spheroidal Galaxy

T. Smecker-Hane, Andrew McWilliam|arXiv (Cornell University)|May 23, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、サジタリウスdSph銀河内の14個の赤色特巨星について高分散分光法を実施し、0.5–13 Gyrにわたる長期にわたる星形成歴と複雑な化学進化を明らかにした。データは、金属陽性星では低比率のType II/Type Ia超新星に起因する低[α/Fe]、[Al/Fe]、[Na/Fe]を示しており、一方で長寿命で金属貧乏なAGB星からの汚染によってs過程元素（例：La）が強化されている。これは数십億年にわたる延長された化学的増幅を示している。

ABSTRACT

We report on the chemical abundances derived from high-dispersion spectra of 14 red giant stars in the Sagittarius dwarf spheroidal (Sgr dSph) galaxy. The stars span a wide range of metallicities, -1.6 < [Fe/H] < -0.1 dex, and exhibit very unusual abundance variations. For metal-poor stars with [Fe/H] < -1, [alpha/Fe] \approx +0.3 similar to Galactic halo stars, but for more metal-rich stars the relationship of [alpha/Fe] as a function of [Fe/H] is lower than that of the Galactic disk by 0.1 dex. The light elements [Al/Fe] and [Na/Fe] are sub-solar by an even larger amount, 0.4 dex. The pattern of neutron-capture heavy elements, as indicated by [La/Fe] and [La/Eu], shows an increasing s-process component with increasing [Fe/H], up to [La/Fe] \sim +0.7 dex for the most metal-rich Sgr dSph stars. The large [La/Y] ratios show that the s-process enrichments came from the metal-poor population. We can best understand the observed abundances with a model in which the Sgr dSph formed stars over a many Gyr and lost a significant fraction of its gas during its evolution. Low-mass, metal-poor AGB stars polluted the more metal-rich stars with s-process elements, and type Ia SNe from low-mass progenitors enriched the ISM with iron-peak metals. The type II/type Ia SNe ratio was smaller than in the Galactic disk, presumably due to a slower star formation rate; this resulted in the observed low [alpha/Fe], [Al/Fe] and [Na/Fe] ratios. The fact that Sgr stars span such a wide range in metallicity leads us to conclude that their age spread is even larger than previously inferred. We derive ages using the Padova models (Girardi et al. 2000) that span \sim 0.5 to 13 Gyr, implying a very long duration of star formation in the central regions of the Sgr dSph.

研究の動機と目的

• Sgr dSph銀河内の赤色特巨星の化学組成パターンを広い金属量範囲にわたり特定すること。
• 観測された組成比と星の年齢を用いて、Sgr dSphの星形成歴と化学進化を制約すること。
• Type IIおよびType Ia超新星、およびAGB星が金属陽性および金属貧乏な星の化学組成に与える影響を調査すること。
• 観測された組成パターンが、ガス損失と遅延した増幅を伴う長期星形成モデルで説明可能かどうかを検証すること。
• 星の進化モデルを用いて個々の星の年齢を導出し、Sgr dSphにおける年齢-金属量関係を確立すること。

提案手法

• 14個のSgr dSph銀河内の赤色特巨星に対して、Keck I望遠鏡とHIRES分光計を用いて高分解能（R ≈ 34,000）分光法を実施した。
• 測定された等価幅からFe、α要素（O、Mg、Si、Ca、Ti）、Al、Na、および中性子捕獲元素（La、Y、Eu）の元素組成を導出した。
• 観測された全放射光度と効果的温度をPadova星の進化モデル（Girardi et al. 2000）と比較することで、星の年齢を推定した。
• [α/Fe]、[Al/Fe]、[Na/Fe]の組成比を[Fe/H]の関数として分析し、Type IIおよびType Ia超新星の相対的寄与度を推定した。
• s過程の増幅は、[La/Eu]および[La/Y]比を用いて評価した。[La/Y]比は、母体AGB星の金属量を追跡するために用いられた。
• 即時再循環を仮定したシンプルな化学進化モデル（定常、指数関数的、増加する星形成率）を、観測された年齢-金属量関係と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sgr dSphの星形成歴は、その赤色特巨星の年齢と金属量分布からどのように推定されるか？
• RQ2 金属陽性Sgr dSph星が低サブ・ソーラー[α/Fe]比を示す理由は何か？これはType IIとType Ia超新星の比率に何を示唆するか？
• RQ3 ランタノイドのようなs過程元素（例：ランタニウム）が金属陽性Sgr dSph星で強化されたのはなぜか？その母体AGB星の金属量はどの程度か？
• RQ4 [Al/Fe]および[Na/Fe]の組成が金属陽性Sgr dSph星で約0.4 dex不足しているのはなぜか？これは超新星およびAGB核合成とどのように関係するか？
• RQ5 観測された組成パターンは、顕著な質量損失と長寿命AGB星からの遅延した増幅を伴う長期星形成モデルで説明可能か？

主な発見

• Sgr dSphの赤色特巨星の金属量範囲は−1.6 ≤ [Fe/H] ≤ −0.05 dexであり、星の年齢は約0.5から13 Gyrにわたり、長期にわたる星形成歴を示している。
• 金属貧乏星（[Fe/H] < −1）では[α/Fe] ≈ +0.3 dexであり、銀河のハロー星と同様の値で、Type II超新星による急速な初期増幅を示している。
• 金属陽性星（[Fe/H] ≈ −0.3 dex）では[α/Fe]が約0.1 dex低く、サブ・ソーラーである。これは、星形成率が遅いまたは断続的であることを示唆する低Type II/Type Ia超新星比率に一致する。
• 金属陽性Sgr dSph星では[Al/Fe]および[Na/Fe]が約0.4 dex不足しており、この金属量で観測された例はこれまでにない。これは低頻度のType II超新星に起因すると考えられる。
• [La/Eu]比は[Fe/H]とともに増加しており、金属陽性星ではs過程元素の寄与が増大していることを示している。一方、[La/Y]比が高いため、s過程物質は低金属量で長寿命なAGB星に由来していることが示唆される。
• 観測された組成パターンは、低質量で金属貧乏なAGB星が数十億年にわたって星間媒体を増幅し、顕著なガス損失とType Ia超新星による遅延した鉄族元素増幅を伴うモデルで最もよく説明できる。