[論文レビュー] Time variation of the O/H radial gradient in the galactic disk based on planetary nebulae

W. J. Maciel, R. D. D. Costa|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2013

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ひとこと要約

本研究では、3つの独立した手法により年齢が推定された惑星状星雲（PN）を用いて、銀河のディスクにおける酸素対水素（O/H）の半径方向の化学組成勾配の時間的変化を調査した。若年齢PNと高年齢PNとの間で酸素含有量にわずかな差異は見られたが、両群のO/H勾配は誤差の範囲内で統計的に区別できず、過去数十億年間にわたり勾配の顕著な時間的進化はなかったことを示している。

ABSTRACT

The controversy on the time variation of the radial abundance gradients can in principle be settled by estimating the gradients from planetary nebulae (PN) ejected by central stars (CSPN) with different ages. In this work, we consider four samples of CSPN whose lifetimes have been estimated using three different methods and estimate the oxygen abundance gradients for these objects. The results suggest some small differences between the younger and older CSPN. The younger objects have similar or slightly higher oxygen abundances compared with the older objects, and the gradients of both groups are similar within the uncertainties. Therefore, the O/H radial gradient has not changed appreciably during the lifetime of the objects considered, so that PN gradients are not expected to be very different from the gradients observed in younger objects, which seems to be supported by recent observational data.

研究の動機と目的

• 銀河ディスクにおける半径方向の化学組成勾配が時間経過とともに進化するかどうかという長年の論争を解決すること。
• 惑星状星雲（PN）の寿命にわたるO/H半径勾配が顕著に変化しているかどうかを検証すること。PNは1–6 Gyrの年齢を有する星から形成される。
• 若年齢PNと高年齢PNの酸素含有量および勾配を比較し、ディスク内での化学組成の時間的進化を評価すること。
• 複数の年齢決定手法をPNサンプルに適用することで、手法的バイアスに対する結果の頑健性を確保すること。
• 特に時間経過に伴い勾配の勾配が急になるか緩やかになるかを予測する化学進化モデルに対する観測的制約を提供すること。

提案手法

• 惑星状星雲の中心星（CSPN）に3つの独立した年齢決定手法を適用した：手法1は年齢-金属量-半径関係を用いる。手法3は中心星質量-ネビュラ内窒素含有量関係を用いる。手法5は運動学的性質（U, V, W速度）とGeneva-Copenhagen速度分散-年齢関係を用いる。
• 距離、金属量、銀河中心からの半径が既知の文献データ（Henry et al. 2010 や SSV データを含む）から4つのPNサンプルを選定し、半径勾配を計算した。
• 年齢の上限（例：3.0、3.5、4.0、5.0 Gyr）に基づいてPNを「若年齢」と「高年齢」の2群に分け、異なる時代における勾配を比較した。
• O/Hと銀河中心からの半径の線形最小二乗フィッティングを用いてO/H半径勾配を計算し、各群について勾配（dex/kpc）と相関係数（r）を報告した。
• 誤差伝搬を用いて勾配の不確実性を推定し、若年齢群と高年齢群の間で結果を比較することで、時間的変化の有無を評価した。
• 手法2（単純な年齢-金属量関係）と手法4（回転曲線に基づく）は、年齢分布のピークが不明瞭（手法2）または高すぎる仮定を含む（手法4）ため除外した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 過去数十億年間にわたり、銀河ディスクにおけるO/H半径化学組成勾配に測定可能な時間的変化が見られるか？
• RQ2 若年齢惑星状星雲のO/H含有量および勾配は、高年齢PNと顕著に異なるか？
• RQ3 異なる年齢決定手法が、O/H勾配の時間的進化に関して一貫した結果をもたらすか？
• RQ4 PNに基づく勾配は、銀河ディスクにおける過去の化学含有量を信頼できるトレーサーとして用いることができるか？
• RQ5 観測されたO/H勾配は、時間経過に伴い勾配が急になるか緩やかになるかを予測する化学進化モデルの予測と整合するか？

主な発見

• 若年齢PN（年齢 ≤ 4.0 Gyr）のO/H半径勾配は、手法1で −0.04 ± 0.01 dex/kpc、高年齢PN（年齢 > 4.0 Gyr）では −0.05 ± 0.01 dex/kpc であり、誤差の範囲内で差が認められず、時間的変化は顕著でない。
• 手法3では、若年齢群の勾配は −0.04 ± 0.01 dex/kpc、高年齢群は −0.03 ± 0.01 dex/kpc であり、再び時間的変化は測定不能であった。
• 手法5では、若年齢群の勾配は −0.04 ± 0.01 dex/kpc、高年齢群は −0.03 ± 0.01 dex/kpc であり、年齢帯ごとに一貫した値が得られた。
• 若年齢群の平均O/H含有量は、手法1で 8.58 ± 0.22、高年齢群は 8.57 ± 0.23 であり、若年齢PNではわずかに高いか、同等の酸素含有量であることを示唆している。
• 勾配の相関係数（r）は −0.60 から −0.94 の間であり、中程度から強い線形傾向を示しているが、若年齢群と高年齢群の間で系統的なシフトは認められなかった。
• 結果から、本研究で対象としたPNの寿命にわたってO/H半径勾配に顕著な変化はなく、PNの勾配が現在のディスク勾配を代表しているという仮説を支持する。