[論文レビュー] Tracing Pop III supernovae with extreme energies through the Sculptor dwarf spheroidal galaxy

Á. Skúladóttir, Irene Vanni+2 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2023

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、Sculptor矮小球状銀河における金属欠乏星の高分解能VLT/UVES分光測定を用いて、第3星族超新星の化学的痕跡を追跡した。[Fe/H] = -3におけるCEMP-no星の特定に加え、低エネルギー（E_SN < 1×10⁵¹ erg）およびハイパノーバ（E_SN = 10×10⁵¹ erg）爆発の両方の証拠を発見し、二重の化学的増幅歴を示し、Sculptorが最初の超新星のエネルギー分布を理解する上で重要なベンチマークであることを確立した。

ABSTRACT

The Sculptor dwarf spheroidal galaxy is old and metal-poor, making it ideal to study the earliest chemical enrichment in the Local Group. We followed up the most metal-poor star known in this (or any external) galaxy, AS0039, with high-resolution ESO VLT/UVES spectra. Our new analysis confirmed its low metallicity, [Fe/H]=-3.90, and that it is extremely C-poor, with A(C)=+3.60, which corresponds to [C/Fe]=-0.33 (accounting for internal mixing). This adds to the evidence of Sculptor being intrinsically C-poor at low [Fe/H]. However, here we also report a new discovery of a carbon-enhanced metal-poor star in Sculptor, DR20080, with no enhancement of Ba (CEMP-no), indicative of enrichment by zero-metallicity low-energy supernovae. This is the first evidence of a dual population of CEMP-no and C-normal stars in Sculptor at $ m[Fe/H]\leq{-3}$. The fraction of CEMP-no stars is still low, $9^{+11}_{-8}\%$ at $ m -4\leq[Fe/H]\leq-3$, compared to the significantly higher fraction in the Milky Way halo, $\approx40\%$. In addition, we re-derive chemical abundances of light, $α$-, iron peak, and neutron-capture elements in all Sculptor stars at $ m [Fe/H]\leq-2.8$, with available high-resolution spectra. Our results show that at these low [Fe/H], Sculptor is deficient in light elements (e.g. C, Na, Al, Mg) relative to both the Milky Way halo, and ultra-faint dwarf galaxies, pointing towards significant contribution of high-energy supernovae. Furthermore, the abundance pattern of the star AS0039 is best fitted with a zero-metallicity hypernova progenitor, with a mass of $M=20$M$_\odot$. Our results in Sculptor, at $ m[Fe/H]\leq-3$, therefore suggest significant enrichment by both very low-energy supernovae and hypernovae, solidifying this galaxy as one of the benchmarks for understanding the energy distribution of the first supernova in the Universe.

研究の動機と目的

• 超低金属量におけるSculptor矮小球状銀河の初期化学的増幅歴を調査すること。
• Sculptorにおける星の元素組成を分析することで、第3星族超新星の爆発エネルギー分布を特定すること。
• Sculptorの元素組成パターンが、銀河系のハローおよび超微小矮小銀河と異なるかどうかを検証すること。
• Sculptorにおいて[Fe/H] ≤ -3で最初のCEMP-no星を同定・特徴づけ、低エネルギー第3星族超新星の直接的証拠を提供すること。

提案手法

• ESO VLT/UVESを用いた高分解能分光測定により、Sculptorの金属欠乏星11個（うち2個は新たに観測）の元素組成を測定した。
• 最も金属欠乏度の高い星AS0039に対して、非局所熱力学平衡（NLTE）解析を適用し、原子線の重なりおよび非局所熱力学平衡効果を補正した。
• 異なる爆発エネルギー（E_SN）および原形星質量を有するゼロ金属量超新星の理論モデルと、元素組成パターンを比較した。
• 低エネルギー超新星による増幅を評価するため、[Fe/H]範囲-4 ≤ [Fe/H] ≤ -3におけるCEMP-no星の割合を計算した。
• 全星において[Fe/H] ≤ -2.8の範囲で、軽元素、α族元素、鉄族元素、中性子捕獲元素の組成を再評価し、全体的な化学的傾向を評価した。
• パラメトリックモデルを用いて、特にAS0039の観測[ X/Fe ]パターンに適合させ、最も妥当な原形星エネルギーおよび質量を推定した。

Figure 1: Position on the sky ( left ) and location on the RGB ( right ) for our Sculptor stellar sample, based on Gaia DR3 (Table 2 ). Star symbols with labels are stars with new spectra, for the first time analysed here; while large blue circles are stars with available literature spectra, reanaly

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Sculptor矮小球状銀河の初期化学的増幅に、低エネルギーおよび高エネルギー超新星がそれぞれどの程度寄与しているか。
• RQ2 SculptorにおけるCEMP-no星の割合が、[Fe/H] ≤ -3の範囲で銀河系ハローおよび超微小矮小銀河と比べてどのように異なるか。
• RQ3 最も金属欠乏度の高い星AS0039の元素組成パターンに基づき、その爆発エネルギーおよび原形星質量は何か。
• RQ4 なぜSculptorでは[Fe/H] ≤ -2.8で軽元素（例：C、Na、Al、Mg）が銀河系およびUFDと比べて欠乏しているのか。
• RQ5 AS0039の元素組成パターンは、ハイパノーバの説明がより適切か、それとも低エネルギー超新星の説明がより適切か。

主な発見

• Sculptorで最も金属欠乏度の高い星であるAS0039は、[Fe/H]_LTE = -3.90 ± 0.15およびA(C) = +3.60を示し、[C/Fe]_LTE = -0.33 ± 0.17に相当し、極めてCが欠乏した星であることが確認された。
• 新たに発見されたCEMP-no星DR20080は、[Fe/H] = -3に位置し、Baの増強が認められないことから、E_SN < 1×10⁵¹ ergのゼロ金属量超新星による増幅を示している。
• Sculptorにおける-4 ≤ [Fe/H] ≤ -3の範囲でのCEMP-no星の割合f_Scl^CEMPは9⁺¹¹₋₈%であり、銀河系ハローの40%と比べ顕著に低い。
• AS0039の元素組成パターンは、E_SN = 10×10⁵¹ erg、20 M⊙の原形星質量を有するゼロ金属量ハイパノーバモデルに最もよく適合した。
• Sculptorは、銀河系および超微小矮小銀河と比べ、軽元素（C、Na、Al、Mg）が欠乏しており、E_SN > 2×10⁵¹ ergの高エネルギー超新星による増幅と整合的である。
• 本結果により、Sculptorが低エネルギーおよびハイパノーバによる増幅を併せ持つことが確認され、宇宙における最初の超新星のエネルギー分布を理解する上でベンチマークとしての役割を果たすことが示された。

Figure 2: X-Shooter spectra for the CEMP-no star in our sample, DR20080 (red), at $\rm[Fe/H]=-3$ . For a fair comparison the X-Shooter spectra of PJ07402 at the same $\rm[Fe/H]=-3$ , is also shown in blue (Starkenburg et al., 2013 ) . However, for the full chemical abundance analysis of PJ07402, her