[論文レビュー] The Scale of Stellar Yields: Implications of the Measured Mean Iron Yield of Core Collapse Supernovae

David H. Weinberg, Emily J. Griffith+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 11, 2023

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、Rodriguezら（2023年）による最近の核心崩壊超新星（CCSN）からの平均鉄産出量の経験的測定値 $ar{y}_{ m Fe}^{ m cc} = 0.058 olinebreak \pm 0.007\,M_\odot$ を用い、低金属量星における観測された $[\alpha/{\rm Fe}]$ プレートウオールが真の産出量比を反映していると仮定することで、$\alpha$-元素の絶対的スケールを推定する。この仮定のもと、酸素およびマグネシウムの産出量は太陽値と整合的であり、$M < 40\,M_\odot$ の前身星におけるブラックホール形成を想定したSukhbold ら（2016年）のモデルを支持する。また、銀河からの物質流出が従来の仮定よりも小さいことを示唆し、観測された金属量および元素比パターンを再現するための強力な風の必要性が低下する。

ABSTRACT

The scale of alpha-element yields is difficult to predict from theory because of uncertainties in massive star evolution, supernova physics, and black hole formation, and it is difficult to constrain empirically because the impact of higher yields can be compensated by greater metal loss in galactic winds. We use a recent measurement of the mean iron yield of core collapse supernovae (CCSN) by Rodriguez et al. (RMN23), $\bar{y}_{ m Fe}^{ m cc} =0.058 \pm 0.007 M_\odot$, to infer the scale of alpha-element yields by assuming that the plateau of [alpha/Fe] abundance ratios observed in low metallicity stars represents the yield ratio of CCSN. For a Kroupa IMF and a plateau at [alpha/Fe]=0.45, we find that the population-averaged yields of O and Mg per unit mass of star formation are about equal to the mass fractions of these elements in the sun. The inferred O and Fe yields agree with predictions of the Sukhbold et al. (2016) CCSN models assuming their Z9.6+N20 neutrino-driven engine, a scenario in which many progenitors with $M&lt;40M_\odot$ implode to black holes rather than exploding. The yields are lower than assumed in some models of galactic chemical evolution (GCE) and the galaxy mass-metallicity relation, reducing the level of outflows needed to match observed abundances. For straightforward assumptions, we find that one-zone GCE models with mass-loading factor $η\approx 0.6$ evolve to solar metallicity at late times. By requiring that models reach [alpha/Fe]=0 at late times, and assuming a mean Fe yield of $0.7M_\odot$ per Type Ia supernova, we infer a Hubble-time integrated SNIa rate of $1.1 imes 10^{-3} M_\odot^{-1}$, compatible with estimates from supernova surveys. The RMN23 measurement provides one of the few empirical anchors for the absolute scale of nucleosynthetic yields, with wide-ranging implications for stellar and galactic astrophysics.

研究の動機と目的

• 核心崩壊超新星における $\alpha$-元素核融合産出量の絶対的スケールを、経験的制約を用いて特定すること。
• 銀河化学進化（GCE）モデルにおける産出量の不確実性と物質流出効率の長年のデゲネラシーを解消すること。
• 低金属量星における観測された $[\alpha/{\rm Fe}]$ プレートウオールが、CCSNからの真の産出量比を反映しているかどうかを検証すること。
• 推定された産出量が、特に大質量星におけるブラックホール形成を含む理論的モデルと整合的かどうかを評価すること。
• 銀河質量-金属量関係および宇宙の金属予算に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、Rodriguez ら（2023年）による核心崩壊超新星からの平均鉄産出量 $\bar{y}_{\rm Fe}^{\rm cc} = 0.058 \pm 0.007\,M_\odot$ を、産出量スケーリングの固定アンカー点として用いる。
• 観測された低金属量星における $[\alpha/{\rm Fe}]_{\rm cc} = 0.45$ のプレートウオールが、CCSNからの $\alpha$-元素と鉄の真の産出量比を反映していると仮定する。
• Kroupa（2001年）の初期質量関数を用い、酸素およびマグネシウムの太陽比に対する集団平均産出量を推定する。
• 時間に依存しない物質流出効率 $\eta = \dot{M}_{\rm out}/\dot{M}_*$ を持つ一ゾーン銀河化学進化（GCE）モデルと、Ia型超新星の遅延時間分布（DTD）を適用する。
• 二パラメータの星形成歴（SFH）を用いたGCEの解析的解を用い、$[\alpha/{\rm Fe}]$ と $[\rm Fe/H]$ の進化をモデル化する。
• 初期の重水素対水素比（D/H）との整合性を検証し、$[\alpha/{\rm Fe}] \to 0$ となる遅い時間における要件から、Hubble時間にわたるSNIaの統合率を推定する。

Figure 1: Distribution of APOGEE disk and halo stars in $[\alpha/{\rm Fe}]$ - $[{\rm Fe/H}]$ for the $\alpha$ -elements O (left), Mg (middle), or Si (right). Above $[{\rm Fe/H}]=-0.8$ stars are randomly downsampled by a factor of 10; the transition to full sampling produces the edge at $[{\rm Fe/H}]

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 経験的鉄産出量測定値が与えられたとき、核心崩壊超新星からの $\alpha$-元素産出量の絶対的スケールは何か？
• RQ2 推定された産出量は、大質量星核融合およびブラックホール形成を含む理論的モデルとどのように一致するか？
• RQ3 新しい鉄産出量制約のもとで、観測された金属量および元素比パターンを再現するための銀河的物質流出はどの程度必要か？
• RQ4 低金属量星における観測された $[\alpha/{\rm Fe}]$ プレートウオールは、CCSNからの真の産出量比であると整合的か？
• RQ5 ミルキーウェイの観測された $[\alpha/{\rm Fe}]$ 進化に一致させるために、Hubble時間にわたるSNIaの統合率はどの程度必要か？

主な発見

• 核心崩壊超新星からの酸素およびマグネシウムの集団平均産出量は、$\log y_{\rm O}^{\rm cc}/Z_{{\rm O},\odot} = \log y_{\rm Mg}^{\rm cc}/Z_{{\rm Mg},\odot} = -0.01 \pm 0.1$ であると判明し、これは太陽の組成とほぼ等しいことを示している。
• 推定された産出量は、Z9.6+N20ニュートリノ駆動エンジンを仮定したSukhbold ら（2016年）のCCSNモデルと整合的であり、$M < 40\,M_\odot$ の前身星でブラックホール形成が予測される。
• 物質流出効率 $\eta \approx 0.6$ を持つ一ゾーンGCEモデルは、遅い時間における太陽金属量を再現でき、一部の従来のGCEモデルで仮定されたものよりも低い物質流出を示唆する。
• モデルは、宇宙初期の物質のD/H比が約70%の初期値に達すると予測し、2σレベルで観測推定値と整合的である。
• $[\alpha/{\rm Fe}] \approx 0$ となる遅い時間に達するためには、Hubble時間にわたるSNIaの統合率が $1.1 \times 10^{-3}\,M_\odot^{-1}$ であると推定され、超新星調査の推定値と整合的である。
• RMN23の鉄産出量測定値は、星の進化、銀河形成、および宇宙の金属予算に広範な影響を持つ、星の産出量の絶対的スケールにおける重要な経験的アンカーを提供する。

Figure 2: Left: Continuous explosion landscapes for a range of $e_{0}$ values ( $0.035-0.07$ and All Explode) as a function of progenitor ZAMS mass. Horizontal lines indicate the masses where successful explosions occur. Lines are colored by $e_{0}$ , with low values of $e_{0}$ in yellow and high va