[논문 리뷰] Neutron-capture elements in dwarf galaxies III: A homogenized analysis of 13 dwarf spheroidal and ultra-faint galaxies

Moritz Reichert, C. J. Hansen외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 02.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 263인용 수 68

한 줄 요약

이 연구는 케크 및 VLT에서 확보한 고해상도 분광학 데이터를 활용하여 13개의 난방형은하 및 초저광도은하에서 380颗의 별에 대한 균일한 별성분 및 원소 농도 분석을 수행한다. α-원소에 대한 보편적인 질량-금속도 관계를 규명하였으며, 2.1×10⁷M⊙에서 2.9×10⁵M⊙ 사이의 은하 질량 범위에서 r-과정 원소 생성에 대한 의존성이 없음을 발견하여, 이 시스템들에서 희귀 핵붕괴 초신성가 r-과정의 주요 원천임을 시사한다.

ABSTRACT

We present a large homogeneous set of stellar parameters and abundances across a broad range of metallicities, involving $13$ classical dwarf spheroidal (dSph) and ultra-faint dSph (UFD) galaxies. In total this study includes $380$ stars in Fornax, Sagittarius, Sculptor, Sextans, Carina, Ursa Minor, Draco, Reticulum II, Bootes I, Ursa Major II, Leo I, Segue I, and Triangulum II. This sample represents the largest, homogeneous, high-resolution study of dSph galaxies to date. With our homogeneously derived catalog, we are able to search for similar and deviating trends across different galaxies. We investigate the mass dependence of the individual systems on the production of $\alpha$-elements, but also try to shed light on the long-standing puzzle of the dominant production site of r-process elements. We use data from the Keck observatory archive and the ESO reduced archive to reanalyze stars from these $13$ dSph galaxies. We automatize the step of obtaining stellar parameters, but run a full spectrum synthesis to derive all abundances except for iron. The homogenized set of abundances yielded the unique possibility to derive a relation between the onset of type Ia supernovae and the stellar mass of the galaxy. Furthermore, we derived a formula to estimate the evolution of $\alpha$-elements. Placing all abundances consistently on the same scale is crucial to answer questions about the chemical history of galaxies. By homogeneously analysing Ba and Eu in the 13 systems, we have traced the onset of the s-process and found it to increase with metallicity as a function of the galaxy's stellar mass. Moreover, the r-process material correlates with the $\alpha$-elements indicating some co-production of these, which in turn would point towards rare core-collapse supernovae rather than binary neutron star mergers as host for the r-process at low [Fe/H] in the investigated dSph systems.

연구 동기 및 목표

• 13개의 난방형은하 및 초저광도은하에 걸쳐 별성분 및 원소 농도의 일관되고 균일한 카탈로그를 구축하여 비교화학진화 연구를 위한 기초를 마련한다.
• 넓은 질량 범위에서 은하 별질량에 따른 α-원소 및 중성자포획 원소 생성의 의존성을 조사한다.
• 저금속도 시스템에서 Ba 및 Eu 농도를 분석하여 오랫동안 남아있던 r-과정의 천체물리적 원천 문제를 해결한다.
• 중요한 중량 r-과정 원소 생성이 α-원소와 관련이 있는지 여부를 조사하여, 이중 중성자별 융합과 핵붕괴 초신성 중 어느 것이 r-과정의 주요 원천인지 식별한다.
• 균일한 농도 분석 프레임워크를 사용하여 타입 Ia 초신성의 발생과 은하 별질량 간의 신뢰할 수 있는 관계를 확립한다.

제안 방법

• 케크 천문대 및 ESO 자료보관소의 고해상도 분광학 데이터를 재분석하여 13개의 dSph 및 UFD 은하에 대한 데이터를 확보한다.
• 1차원 및 국소 열역학적 평형(LTE) 조건에서 스펙트럼 합성 기반으로 자동화된 별성분(효과온도 Teff, 표면중력 log g, [Fe/H], 회전속도 vsini) 추정을 수행한다.
• 철 이외의 모든 원소에 대해 전체 스펙트럼 합성을 수행하고, 가능한 한 비-LTE 보정을 적용하여 정확도를 향상시킨다.
• 모든 13개 은하에 걸쳐 동일한 원자선 목록과 농도 합성 방법을 사용하여 최종 카탈로그의 균일성을 확보한다.
• 베이지안 거리 추정을 통해 병진도를 이용한 표면중력 추정을 수행하여 구성원 여부와 은하계 거리 일관성을 검증한다.
• 측정 불확도를 고려하여 유도된 병진도와 기대되는 은하계 거리를 비교하여 각 dSph 내 별의 구성원 확률을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난방형은하에서 은하 별질량과 α-원소 진화 간의 보편적인 관계가 존재하는가?
• RQ2 저금속도 시스템에서 r-과정 원소(예: Eu로 추적) 생성이 주변 은하의 별질량에 의존하는가?
• RQ3 dSph에서 α-원소 생성과 r-과정 원소 농도 증가 간의 관계는 무엇이며, 이는 r-과정의 원천에 대해 어떤 시사점을 갖는가?
• RQ4 균일한 농도 분석 프레임워크를 통해 타입 Ia 초신성의 발생을 은하 질량과 신뢰성 있게 연관시킬 수 있는가?
• RQ5 Ba(의 s-과정 추적자)와 Eu(의 r-과정 추적자)의 농도는 금속도와 은하 질량에 따라 어떻게 변화하며, 이는 초기 화학적 풍화에 대해 어떤 통찰을 제공하는가?

주요 결과

• 13개의 dSph 및 UFD 은하에 걸쳐 넓은 질량 및 금속도 범위에서 은하 별질량과 α-원소 진화 간의 보편적인 관계를 유도하였다.
• 2.1×10⁷M⊙에서 2.9×10⁵M⊙ 사이의 질량 범위에서 r-과정 원소 생성에 대한 은하 별질량 의존성이 발견되지 않아, 이 범위 내에서 r-과정 수확량이 주변 질량과 독립적임을 시사한다.
• r-과정 원소(Eu)와 α-원소 간의 상관관계는 동시 생성을 시사하며, 이는 이 저금속도 시스템에서 이중 중성자별 융합보다 희귀 핵붕괴 초신성이 주요 r-과정 원천임을 지지한다.
• 균일화된 농도 카탈로그를 통해 타입 Ia 초신성의 발생을 은하 별질량과 성공적으로 연관지었으며, 이는 정량적 질량 의존성 분석을 가능케 하였다.
• 이전 연구와 비교해 볼 때 Ba/Fe 비율에 상당한 이질성이 발견되었으며, 주로 λ6141.73 Å에서 Fe I 혼합 보정 및 선 무게 조정 향상 탓이었다.
• 원거리 별에 대해 병진도 기반 표면중력 추정은 큰 불확도로 인해 신뢰할 수 없음을 확인하였으며, 베이지안 거리 추정 결과 1/π는 거리 값을 과대평가하고 일관성 없는 log g 값을 초래함을 밝혔다.