[논문 리뷰] Formation and Evolution of the Dust in Galaxies. III. The Disk of the Milky Way

L. Piovan, C. Chiosi외 5명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 22.

Astrophysics and Star Formation Studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 은하수 은하의 간성간 매질의 화학적 진화 모델을 태양계 근처를 넘어서 은하수 디스크 전역으로 확장하여 먼지 형성과 진화를 포함한다. 초신성, AGB 별, 그리고 간성간 먼지의 응집 기여를 포함한다. 모델은 가스와 먼지의 관측된 반경 방향 농도 기울기를 성공적으로 재현하며, 장기적으로 간성간 매질의 먼지 성장이 별 기여보다 우세하다는 것을 보여주며, 실리케이트와 탄소 기반 먼지의 비율은 은하 중심에서의 반경과 시간에 따라 체계적으로 변화한다.

ABSTRACT

Models of chemical evolution of galaxies including the dust are nowadays required to decipher the high-z universe. In a series of three papers we have tackled the problem and set a modern chemical evolution model. In the first paper (Piovan et al., 2011a) we revised the condensation coefficients for the elements that typically are present in the dust. In the second paper (Piovan et al., 2011b) we have implemented the dust into the Padova chemical model and tested it against the observational data for the Solar Neighbourhood. In this paper we extend it to the whole Disk of the Milky Way (MW). The Disk is used as a laboratory to analyze the spatial and temporal behaviour of (i) several dust grain families with the aid of which we can describe the ISM, (ii) the abundances in the gas, dust, and total ISM of the elements present in the dust and (iii) the depletion of the same elements. The temporal evolution of the dust and gas across the Disk is calculated under the effect of radial flows and a central Bar. The gradients of the abundances of C, N, O, Mg, Si, S, Ca and Fe in gas and dust across the Disk are derived as a function of time. The theoretical gradients nicely reproduce those derived from Cepheids, OB stars, Red Giants and HII regions. This provides the backbone for the companion processes of dust formation and evolution across the Disk. We examine in detail the contributions to dust by AGB stars, SNae and grain accretion in the ISM at different galacto-centric distances. Furthermore, we examine the variation of the ratio silicates/carbonaceous grains with time and position in the Disk. Finally, some hints about the depletion of the elements in regions of high and low SFR (inner and outer Disk) are presented. The results obtained make it possible to extend the model to other astrophysical situations or different theoretical models like the chemo-dynamical N-Body simulations.

연구 동기 및 목표

• 태양계 근처를 초월하여 은하수 디스크 전반에 걸쳐 먼지가 포함된 화학적 진화 모델을 확장하기 위해.
• 디스크 전역에서 먼지 입자 가족(실리케이트, 탄소 기반, 철)의 공간적·시간적 진화를 조사하기 위해.
• 세프히드, OB 별, 적색 거성, HII 영역에서의 관측 데이터를 사용하여 가스와 먼지 농도의 관측된 반경 기울기를 재현하기 위해.
• 다양한 은하 중심 반경에서 총 먼지 예산에 대한 초신성, AGB 별, 간성간 먼지 응집의 상대 기여를 분석하기 위해.
• 내부 디스크와 외부 디스크에서 별 형성률과 금속성에 따라 원소의 먼지 탈착 정도가 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 패도바 화학적 진화 모델에 비산과 반경 방향 유동을 적용하여 먼지 진화를 포함하도록 수정하였으며, 주요 원소(C, N, O, Mg, Si, S, Ca, Fe)의 응축 계수를 재검토하였다.
• 일식형 초신성과 핵붕괴 초신성(SNe)에서의 시간에 따라 변화하는 먼지 생성, AGB 별, 간성간 매질에서의 응집에 의한 먼지 성장 과정을 추적하였다.
• 반경 방향 유동과 중심 바를 통합하여 디스크의 역학적 진화를 시뮬레이션하였으며, 이는 금속성과 먼지 분포에 영향을 미쳤다.
• 요소와 먼지 질량의 시간에 따른 진화를 기반으로 연립 미분방정식을 풀어 가스상과 먼지상 농도의 반경 기울기를 계산하였다.
• 세프히드, OB 별, 적색 거성, HII 영역에서의 관측 데이터를 사용하여 모델 출력을 제약하고 검증하였다.
• 실리케이트 대 탄소 기반 먼지 비율의 디스크 전역 진화를 시뮬레이션하였으며, 이를 금속성과 별 형성 역사와 연결지었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 은하수 디스크 전역에서 C, N, O, Mg, Si, S, Ca, Fe의 가스와 먼지 농도 반경 기울기는 모델과 관측 결과 사이에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 다양한 은하 중심 반경과 시점에서 초신성, AGB 별, 간성간 먼지 응집이 총 먼지 질량에 기여하는 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 실리케이트 대 탄소 기반 먼지 비율은 시간과 위치에 따라 어떻게 변화하며, 그 변화의 주요 원인은 무엇인가?
• RQ4 특히 높은 별 형성률과 금속성 영역과 낮은 영역에서 먼지 탈착 정도는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 일관된 먼지 형성 및 진화 물리 법칙을 사용하여, 세프히드, HII 영역, 적색 거성 등 다양한 별 및 이온화 영역에서 관측된 농도 기울기를 모델이 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 모델은 태양계 근처에서 성공적으로 작동했던 동일한 매개변수를 사용하여 은하수 디스크 전역에서 C, N, O, Mg, Si, S, Ca, Fe의 관측된 반경 방향 농도 기울기를 성공적으로 재현하였다.
• 초기 은하에서는 초신성이 먼지 생성을 주도하며, 특히 내부 영역에서 두드러지게 작용한다. 그러나 시간이 지남에 따라 간성간 매질의 먼지 응집이 주요 기여원이 되며, 특히 내부 디스크에서 두드러진다.
• 저금속성 외부 영역에서는 AGB 별이 탄소 기반 먼지에 크게 기여하지만, 고금속성 내부 영역에서는 산소 기반 먼지로 전환된다.
• 반경 방향 먼지 질량 분포는 가스 분포를 따르며, 중심 영역에서 최고점에 도달하고 외부로 갈수록 음의 기울기를 보이며, 중심부의 높은 금속성과 별 형성률에 의해 주도된다.
• 저금속성 AGB 별의 장기간에 걸친 주입과 외부 디스크에서의 간성간 매질 응집의 지연 발생으로 인해 탄소 기반 먼지 비율이 외부로 갈수록 증가한다.
• 높은 밀도와 별 형성률로 인해 내부 디스크에서는 먼지 탈착 정도가 더 강하며, 외부 영역에서는 낮은 탈착 효율을 보이며 관측 경향과 일치한다.