[論文レビュー] The population of planetary nebulae and HII regions in M81. A study of radial metallicity gradients and chemical evolution

Letizia Stanghellini, L. Magrini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 55被引用数 32

ひとこと要約

本研究では、Hectスピーク/MMTデータを用いて、M81における惑星状星雲（PNe）およびH ii領域の最初の分光的解析を実施し、元素の同位体比と半径方向の金属量勾配を測定した。PNeにおける酸素勾配は浅いが有意な負の勾配（−0.055 dex kpc⁻¹）を示し、若いH ii領域では勾配がより急である可能性があることから、時間経過に伴い勾配が急になる可能性があり、過去約10 Gyr間に強い酸素強化が起こったことを示唆している。

ABSTRACT

We analyze the chemical abundances of planetary nebulae and HII regions in the M81 disk for insight on galactic evolution, and compare it with that of other galaxies, including the Milky Way. We acquired Hectospec/MMT spectra of 39 PNe and 20 HII regions, with 33 spectra viable for temperature and abundance analysis. Our PN observations represent the first PN spectra in M81 ever published, while several HII region spectra have been published before, although without a direct electron temperature determination. We determine elemental abundances of helium, nitrogen, oxygen, neon, sulfur, and argon in PNe and HII regions, and determine their averages and radial gradients. The average O/H ratio of PNe compared to that of the HII regions indicates a general oxygen enrichment in M81 in the last ~10 Gyr. The PN metallicity gradient in the disk of M81 is -0.055+-0.02 dex/kpc. Neon and sulfur in PNe have a radial distribution similar to that of oxygen, with similar gradient slopes. If we combine our HII sample with the one in the literature we find a possible mild evolution of the gradient slope, with results consistent with gradient steepening with time. Additional spectroscopy is needed to confirm this trend. There are no Type I PNe in our M81 sample, consistently with the observation of only the brightest bins of the PNLF, the galaxy metallicity, and the evolution of post-AGB shells. Both the young and the old populations of M81 disclose shallow but detectable negative radial metallicity gradient, which could be slightly steeper for the young population, thus not excluding a mild gradients steepening with the time since galaxy formation. During its evolution M81 has been producing oxygen; its total oxygen enrichment exceeds that of other nearby galaxies.

研究の動機と目的

• 惑星状星雲（PNe）およびH ii領域を用いて、M81における半径方向の金属量勾配を測定し、化学的進化のプローブとする。
• PNe（古くさい星族）とH ii領域（若々しい星族）の化学的同位体比を比較し、時間依存の金属量進化を推定する。
• M81における観測された勾配が、銀河系や他の銀河におけるものと異なるかどうかを検討する。特に環境的相互作用の観点から検討する。
• 理論的モデルと比較することで、潮汐相互作用とガスの剥がれが金属量勾配をどのように形作っているかを調査する。
• 新規に得られたPNeスペクトルと既存のH ii領域データを統合することで、化学的進化モデルに対する観測的制約を強化する。

提案手法

• M81内の39個のPNeおよび20個のH ii領域について、高分解能のHectospec/MMTスペクトルを取得し、そのうち33個が温度および同位体比分析に適していた。
• 診断線（例：[O iii] λ4363、[Ne iii] λ3869）を用いて電子温度およびイオン体積比を決定し、He、N、O、Ne、S、Arの元素同位体比を導出する。
• PNeおよびH ii領域のガラクティック中心距離（R_G）とlog(O/H)値を用いて、半径方向の金属量勾配を計算する。
• 新規H ii領域サンプルと文献（GS87）を統合し、勾配勾配の時間的進化の可能性を評価する。
• 観測された勾配を、特にガスの剥がれと潮汐相互作用を含む化学的進化モデルの予測と比較する。
• 統計的解析を用いて勾配勾配の不確実性を評価し、銀河系およびM33の傾向と整合性があるかを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 M81における惑星状星雲の酸素の半径方向金属量勾配は何か？また、H ii領域のそれと比べてどう異なるか？
• RQ2 M81における金属量勾配は時間経過とともに変化するのか？若々しい星族では、古くさい星族よりも勾配が急であると予想されるか？
• RQ3 M81における観測された化学的強化は、銀河系や他のスパイラル銀河と比べてどう異なるか？
• RQ4 M81グループ環境における潮汐相互作用とガスの剥がれが、観測された金属量勾配に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 PNeおよびH ii領域における観測された同位体パターンは、ガスの除去と星形成歴を含む理論的化学的進化モデルと整合性があるか？

主な発見

• PNeにおける平均的なO/H比は、H ii領域の1.8倍高く、過去約10 Gyr間にM81で顕著な酸素強化が起こったことを示している。
• PNeの半径方向金属量勾配はΔlog(O/H)/ΔR_G = −0.055 ± 0.02 dex kpc⁻¹であり、浅いが検出可能な負の勾配であることが確認された。
• PNeにおけるネオンおよび硫黄の半径分布および勾配勾配は酸素と15%以内に収まっており、類似した化学的進化パターンを示している。
• 新規H ii領域サンプル（MMT + GS87）の組み合わせにより、勾配が−0.093 dex kpc⁻¹に達し、若い星族でより急な勾配を示す可能性があることが示唆された。
• 本研究で観測されたType I PNeの欠如は、観測されたPNLFピークとM81の金属量と整合しており、後AGB殻の進化段階を支持する。
• 観測された勾配の急化は、特に外縁部に強く影響を与える潮汐相互作用によるガス剥がれを含む理論的モデルと整合的である。