[論文レビュー] The origin of nitrogen: Implications of recent measurements of N/O in Galactic metal-poor stars

C. Chiappini, F. Matteuccí+1 more|ArXiv.org|Mar 23, 2005

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ひとこと要約

本論文は、非常に金属貧困で質量の大きな星における急速回転によって駆動される窒素生産の増強が、銀河のハロー星で観測された予期せぬ高いN/O比を説明すると提案している。Z < 10⁻⁵の条件下で60 M⊙星の¹⁴N生成量を最大200倍に増加させることで、モデルは金属貧困星における高いN/O比と太陽系近傍での観測されたN/O比の両方を再現し、銀河のディスクにおける負のN/O濃度勾配を予測する。

ABSTRACT

Recent new high-precision abundance data for Galactic halo stars suggest important primary nitrogen production in very metal-poor massive stars. Here, we compute a new model for the chemical evolution of the Milky Way aimed at explaining these new abundance data. The new data can be explained by adopting: a) the stellar yields obtained from stellar models that take into account rotation and b) an extra production of nitrogen in the very metal-poor massive stars. In particular, we suggest an increase of nearly a factor of 200 in 14N for a star of 60 Msun and 40 for a star of 9Msun, for metallicities below Z=10$^{-5}$, with respect to the yields given in the literature for Z=10$^{-5}$ and rotational velocity of 300 km/s. We show that once we adopt the above prescriptions, our model is able to predict high N/O abundance ratios at low metallicities and still explains the nitrogen abundances observed in thin disk stars in the solar vicinity. The physical motivation for a larger nitrogen production in massive stars in very metal-poor environments could be the fact that some stellar models as well as observational data suggest that at low metallicities stars rotate faster. If this is the case, such large nitrogen production seen in the pristine phases of the halo formation would not necessarily happen in Damped Lyman-alpha systems which have metallicities always above [Fe/H]$\simeq -$2.5, and could have been pre-enriched. We also compute the abundance gradient of N/O along the Galactic disk and show that a negative gradient is predicted once we adopt stellar yields where rotation is taken into account. The latter result implies that intermediate mass stars contribute less to the primary nitrogen than previously thought.

研究の動機と目的

• 銀河の化学進化モデルと最近の高精度な金属貧困ハロー星におけるN/O測定値を一致させること。
• 低金属量における大質量星における強化された一次窒素生成が、観測された元素組成パターンを説明できるかどうかを調査すること。
• 星の回転と質量放出が窒素生成量に与える影響と、それらが銀河の化学進化に与える意味を評価すること。
• ダムプド・ライマン・アルファ系（DLA）におけるN/O比の二重性に及ぼす影響を検討すること。
• 再評価された生成量を前提とした場合、中質量星が一次窒素生成に顕著に寄与しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 回転と質量放出を含むMeynet & Maeder (2002)の星間物質生成量を採用し、低金属量における¹⁴N生成量を増加させるために修正を加えた。
• 銀河の化学進化モデルをヒューリスティックに構築し、Z = 10⁻⁵未満の状態における大質量星の窒素生成量を調整した。
• ハロー星および薄いディスク星における観測されたN/O、C/O、C/Fe濃度とモデル予測を比較した。
• 回転に影響を受ける生成量を用いたモデルを用いて、銀河ディスク全体におけるN/O濃度勾配を計算した。
• ベースモデルに含まれないが、中質量星におけるホットボトムバーニング（HBB）および第三の上昇混合（third dredge-up）の役割を評価した。
• モデルパラメータを制約するために、Spite et al. (2005)およびIsraelian et al. (2004)の観測データを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ金属貧困ハロー星は、標準的な星間物質生成量の予測よりも高いN/O比を示すのか？
• RQ2 低金属量における大質量星の窒素生成量の増強が、銀河ハローにおける観測された元素組成パターンを説明できるか？
• RQ3 星の回転が金属貧困の大質量星における一次窒素生成量をどのように増加させるのか？
• RQ4 回転に影響を受ける生成量を組み込むと、銀河ディスクにおける予測されるN/O濃度勾配にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ダムプド・ライマン・アルファ系における観測されたN/O比の二重性は、年齢の違いではなく、星形成歴の違いによって説明できるか？

主な発見

• 60 M⊙星がZ < 10⁻⁵の条件下で¹⁴N生成量を200倍に増加させることで、金属貧困ハロー星における観測されたN/O比と一致する。
• 同様の金属量における9 M⊙星では、¹⁴N生成量を約40倍に増加させる必要がある。
• モデルは金属貧困ハロー星における高いN/O比と太陽系近傍での観測されたN/O比の両方を成功裏に再現した。
• 回転に影響を受ける生成量を組み込むことで、銀河ディスク全体にわたる負のN/O濃度勾配が予測された。
• 回転を考慮に入れると、中質量星は従来予想されたほど一次窒素生成に寄与していない。
• モデルは、[Fe/H] ≈ -2.5より高い金属量を持つDLA系は、ハロー星と同様に急速回転する大質量星の段階を経験していなかった可能性を示唆しており、これにより低N/O比が説明できる。