[論文レビュー] The origin of carbon, investigated by spectral analysis of solar-type stars in the Galactic Disk

B. Gustafsson, Torgny Karlsson+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 1998

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 2被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、他の炭素指標よりも大気的影響に敏感でない[ C I ] 8727 Å 禁制線を用いて、はくちゅう銀河のディスク領域に広がる80個の太陽型星の炭素含有量を決定した。[C/Fe]は金属量が増加するにつれて低下し（勾配 = −0.17 ± 0.03）、銀河における炭素の主な供給源は質量の大きな星、特にワルフ＝レイター期にかけての星であるという強力な証拠を得た。一方、低・中質量星が炭素生成に寄与するという仮説は疑問視される。

ABSTRACT

Abundance analysis of carbon has been performed in a sample of 80 late F and early G type dwarf stars in the metallicity range -1.06 < [Fe/H] < 0.26 using the forbidden [C I] line at 8727 A. This line is presumably less sensitive to temperature, atmospheric structure and departures from LTE than alternative carbon criteria. We find that [C/Fe] decreases slowly with increasing [Fe/H] with an overall slope of -0.17 +- 0.03. Our results are consistent with carbon enrichment by superwinds of metal-rich massive stars but inconsistent with a main origin of carbon in low-mass stars. This follows in particular from a comparison between the relation of [C/O] with metallicity for the Galactic stars and the corresponding relation observed for dwarf irregular galaxies. The significance of intermediate-mass stars for the production of carbon in the Galaxy is still somewhat unclear.

研究の動機と目的

• 銀河ディスクにおける炭素の主な星間供給源について長年の不確実性を解消すること。
• 低・中・高質量星が炭素の豊度増加を主に担っているかどうかを、観測された豊度傾向と理論的予測を比較することで検証すること。
• 大気的影響にほとんど敏感でない強力な炭素指標である[ C I ] 8727 Å を用いて、金属貧乏から金属豊富な星にまで及ぶ炭素含有量の決定精度を向上させること。
• 銀河ディスクにおける[C/O]–[O/H]関係と、矮小不規則銀河におけるそれとを比較し、核合成起源の独立した実証的検証を提供すること。
• 理論的生成量と観測された惑星状星雲の炭素含有量の不一致を解消すること。特に、低金属量系とは対照的に、銀河では急激な[C/O]傾向が観測されないという点に注目する。

提案手法

• ESO 1.4m CAT望遠鏡とCoudé Echelleスペクトロメータ（CES）を用いた、南天の87個の星の高分解能・高信号対雑音比（S/N > 200）分光測定。
• 金属量が[Fe/H] = −1.06 から +0.26 の範囲にある、晩期F型および初期G型の主系列星を対象に選定した。
• [C I] 8727 Å 線は、他の炭素線と比較して温度構造や非局所熱平衡（non-LTE）効果への感受性が低いため、主な炭素含有量指標として用いられた。
• モデル大気とスペクトル合成を用いた豊度解析を実施し、ラインプロファイルのフィッティングと不確実性推定に特に注意を払った。
• [C/Fe]および[C/O]比をそれぞれ[Fe/H]および[O/H]の関数として導出し、矮小不規則銀河における傾向と比較した。
• 銀河ディスクの傾向と、低金属量の矮小不規則銀河で観測された[C/O]–[O/H]関係を実証的に比較し、主な炭素生成星種の同定を試みた。

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炭素の主な供給源は何か。これは質量の大きな星、中質量星、または低質量星と整合的か。
• RQ2 太陽型星における[C/Fe]比は金属量にどのように変化するか。これは炭素の豊度増加の時期とメカニズムに何を示唆するか。
• RQ3 銀河ディスクにおける観測された[C/O]–[O/H]傾向が矮小不規則銀河とは異なるのはなぜか。これは炭素の核合成起源に何を示唆するか。
• RQ4 惑星状星雲は銀河の炭素予算にどの程度寄与しているのか。なぜその観測された炭素含有量はディスク全体の[C/O]傾向に反映されないのか。
• RQ5 [C I] 8727 Å 線は、金属貧乏星において信頼性が高く、大気的影響に敏感でない炭素含有量の代理指標として機能できるか。

主な発見

• [C/Fe]比は金属量が増加するにつれて低下し、[Fe/H]の1デキサドあたり−0.17 ± 0.03デキサドの勾配を示しており、高金属量で鉄に比して炭素の強化が低下していることを示している。
• 銀河ディスクにおける観測された[C/O]–[O/H]傾向は、矮小不規則銀河で観測されたものとよく一致しており、質量の大きな星、特にワルフ＝レイター期にかけての星が主な炭素供給源であるという仮説を支持している。
• 炭素が主に低質量星によって生成されているというシナリオは観測結果と整合しない。その場合、観測されたよりも急激に[C/O]が金属量とともに増加するはずである。
• 観測された[C/O]傾向は、放射圧駆動風を伴う質量の大きな星の炭素生成量と整合的である。特にワルフ＝レイター期にかけての段階が重要である。
• 惑星状星雲から推定される高い炭素生成量と、ディスクにおける観測された低い[C/Fe]との不一致は、低・中質量星の炭素生成量が金属量依存的である可能性を示唆しており、現在のモデルとは対照的である。
• 本研究は、さまざまな金属量においてワルフ＝レイター星、炭素星、惑星状星雲の系統的で多要素の豊度研究の必要性を強調しており、実証的生成量を精緻化するための重要な一歩である。