[論文レビュー] The nucleosynthetic history of elements in the Galactic disk: [X/Fe] - age relations from high-precision spectroscopy

L. Spina, J. Meléndez+5 more|ANU Open Research (Australian National University)|Jun 15, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 117被引用数 43

ひとこと要約

本研究では、太陽類星の高精度分光測定を用いて、銀河ディスクにおける24元素の[ X/Fe ]-年齢関係を精確に提示し、異なる核合成歴史を明らかにした。α元素および鉄族元素は時間経過に伴い非線形的な進化を示す一方、n捕獲元素はA型巨星（AGB）星からのs過程寄与により年齢とともに増加する。[Al/Y]比は、年齢依存性が急峻であるため、最も感度の高い星の時計として浮き彫りになった。

ABSTRACT

Context: The chemical composition of stars is intimately linked to the Galaxy formation and evolution. Aims: We aim to trace the chemical evolution of the Galactic disk through the inspection of the [X/Fe]-age relations of 24 species from C to Eu. Methods: Using high-resolution and high-signal-to-noise UVES spectra of nine solar twins, we obtained precise estimates of stellar ages and chemical abundances. These determinations have been integrated with additional accurate age and abundance determinations from recent spectroscopic studies of solar twins existing in the literature, comprising superb abundances with 0.01~dex precision. Based on this data set, we outlined the [X/Fe]-age relations over a time interval of 10~Gyr. Results: We present the [X/Fe] - age relations for 24 elements (C, O, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Ba, La, Ce, Nd, and Eu). Each different class of elements showed distinct evolution with time that relies on the different characteristics, rates and timescales of the nucleosynthesis' sites from which they are produced. The $α$-elements are characterised by a [X/Fe] decrement as time goes on. Strikingly, an opposite behaviour is observed for Ca. The iron-peak elements show an early [X/Fe] increase followed by a decrease towards the youngest stars. The [X/Fe] for the n-capture elements decrease with age. We also found that both [Mg/Y] and [Al/Y] are precise stellar clocks, with [Al/Y] showing the steepest dependence with age. Conslusions: Knowledge of the [X/Fe]-age relations is a gold mine from which we can achieve a great understanding about the processes that governed the formation and evolution of the Milky Way. Through the reverse engineering of these relations we will be able to put strong constraints on the nature of the stellar formation history, the SNe rates, the stellar yields, and the variety of the SNe progenitors.

研究の動機と目的

• CからEuまでの24元素について、[X/Fe]-年齢関係を精確に確立することで、銀河ディスクの化学的進化を追跡すること。
• 星形成および超新星爆発の timescale と関連付けることで、元素の核合成起源を理解すること。
• 元素の質量比の時間的変化を分析することにより、年齢推定に適した強固な星の時計を同定すること。
• Type IIおよびType Ia超新星、およびAGB星が薄いディスクおよび厚いディスクの化学的豊度に与える寄与を制約すること。

提案手法

• 9個の太陽類星に対する高分解能・高信号対雑音比のUVES分光測定を実施し、0.01 dexの精度で星の年齢および元素の同定を導出する。
• 新規に得られた同定および年齢データを既存の文献値と統合し、10 Gyrにわたる包括的な[X/Fe]-年齢データセットを構築する。
• 線形、双曲的、二段階線形の3つのモデルを用いて[X/Fe]-年齢関係をフィッティングし、統計的比較により最良の関数を特定する。
• 双曲的モデルを用いて、各元素の[X/Fe]-年齢関係における「ひざ」を同定し、核合成豊度のピーク時期を特定する。
• 各元素の[X/Fe]-年齢関係の「ひざ」における年齢と、SN IIとSN Iaの出力比の対数を相関させることで、核合成経路を推定する。
• n捕獲元素の[X/Fe]傾向を分析し、勾配の変化に基づいてAGB星からのs過程寄与が支配的であることを推論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河ディスクにおける24元素の[X/Fe]比は時間経過とともにどのように変化するのか。また、これらの傾向はその核合成起源をどのように明らかにするか。
• RQ2 どの質量比が非線形的または非単調的な[X/Fe]-年齢関係を示し、その乖離は超新星およびAGB星の寄与にどのような含意をもたらすか。
• RQ3 CaとCrは他のα元素とは逆に、年齢とともに[X/Fe]が増加するが、その理由は何か。
• RQ4 [Y/Mg]および[Y/Al]はどれほど精度の高い星の時計として機能するのか。また、どちらが年齢に対してより感度が高いのか。
• RQ5 n捕獲元素の[X/Fe]-年齢関係の勾配は、s過程とr過程の核合成寄与の相対的寄与をどのように反映しているか。

主な発見

• α元素（例：O、Mg、Si）の[X/Fe]-年齢関係は時間経過とともに単調に減少する傾向を示し、これはType II超新星による初期豊度付けに続く、Type Ia超新星による希釈を示している。
• Caは逆の傾向を示し、[Ca/Fe]が若い星に向かって増加する。これは他のα元素とは異なる核合成起源を示唆している。
• [Al/Y]比は、研究されたすべての質量比の中で最も急峻な年齢依存性を示し、最も感度の高い星の時計である。
• ほとんどの軽元素について、双曲的モデルが[X/Fe]-年齢関係に最もよく適合し、曲線の「ひざ」が核合成豊度のピーク時期を示している。
• n捕獲元素（例：Ba、La、Ce、Nd、Eu）は年齢とともに[X/Fe]が増加する傾向を示し、勾配が急であるほどAGB星からのs過程寄与が強いことを示している。
• 年齢約6–8 Gyrの星は、α元素の豊度が最も高いため、薄いディスクを形成した初期の星形成バーストを示唆している。