[논문 리뷰] Observational constraints on the origin of the elements. V. Non-LTE abundance ratios of [Ni/Fe] in Galactic stars and enrichment by sub-Chandrasekhar mass SNe

P. Eitner, M. Bergemann외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 21.

Gamma-ray bursts and supernovae참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 은하 내 별 264개의 니켈 및 철 농도를 비-LTE(NLTE) 모델링하여, 초-찬다스카르 질량보다 작은 질량을 가진 타입 Ia 초신성(SN Ia)이 은하 화학 진화에 기여하는 정도를 제약한다. 연구 결과, NLTE 효과는 [Fe/H] ≈ -2에서 [Ni/Fe]를 약 0.15 dex 높이며, 관측된 [Ni/Fe] 경향을 재현하기 위해 SN Ia 사건의 75%가 초-찬다스카르 질량이어야 한다는 것을 보여준다. 특히 저금속도에서 약간의 반상관관계가 관측된다.

ABSTRACT

We constrain the role of different SN Ia channels in the chemical enrichment of the Galaxy by studying the abundances of nickel in Galactic stars. We investigate four different SN Ia sub-classes, including the classical single-degenerate near-Chandrasekhar mass SN Ia, the fainter SN Iax systems associated with He accretion from the companion, as well as two sub-Ch mass SN Ia channels. The latter include the double-detonation of a white dwarf accreting helium-rich matter and violent white dwarf mergers. NLTE models of Fe and Ni are used in the abundance analysis. In the GCE models, we include new delay time distributions arising from the different SN Ia channels, as well as recent yields for core-collapse supernovae and AGB stars. The data-model comparison is performed using a Markov chain Monte Carlo framework that allows us to explore the entire parameter space allowed by the diversity of explosion mechanisms and the Galactic SN Ia rate, taking into account the uncertainties of the observed data. We show that NLTE effects have a non-negligible impact on the observed [Ni/Fe] ratios in the Galactic stars. The NLTE corrections to Ni abundances are not large, but strictly positive, lifting the [Ni/Fe] ratios by ~+0.15 dex at [Fe/H] =-2. We find that that the distributions of [Ni/Fe] in LTE and in NLTE are very tight, with a scatter of < 0.1 dex at all metallicities, supporting earlier work. In LTE, most stars have scaled-solar Ni abundances, [Ni/Fe] = 0, with a slight tendency for sub-solar [Ni/Fe] ratios at lower [Fe/H]. In NLTE, however, we find a mild anti-correlation between [Ni/Fe] and metallicity, and a slightly elevated [Ni/Fe] ratios at [Fe/H] < -1.0. The NLTE data can be explained by the GCE models calculated with a substantial, ~ 75%, fraction of sub-Ch SN Ia.

연구 동기 및 목표

• 은하 별의 관측된 [Ni/Fe] 농도 비율을 이용하여, 은하수의 화학적 풍부화에 초-찬다스카르 질량보다 작은 질량을 가진 타입 Ia 초신성(SN Ia)이 어떤 역할을 하는지 규명하는 것.
• 저금속도 은하 별에서 니켈과 철 농도 결정에 비-LTE(NLTE) 효과가 미치는 영향을 평가하는 것.
• 다양한 SN Ia 채널과 업데이트된 핵합성 수확량을 포함한 은하 화학 진화(GCE) 모델과 관측된 [Ni/Fe] 경향을 비교하는 것.
• 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 프레임워크를 사용하여, 초-찬다스카르 질량 원천에서 기인한 SN Ia 사건의 비율을 제약하는 것.
• LTE 기반 농도 연구와 관측된 [Ni/Fe] 경향 간의 모순을 비-LTE 보정을 통해 해결하는 것.

제안 방법

• Gaia-ESO 조사에서 고해상도(R = 47,000) 광학 스펙트럼을 확보하여 Gaia eDR3 천문학적 위치 및 광도 데이터를 가진 은하 별 264개를 대상으로 하였다.
• Voronov 등(2022)에서 제공한 업데이트된 충돌 데이터를 사용하여 철과 니켈에 대한 비-LTE 복사전달 모델을 적용하여 NLTE 농도를 계산하였다.
• 네 가지의 서로 다른 SN Ia 채널(고전적 단일-중간자, SN Iax 유사, 듀얼-detonation, 폭발적 백색왜성 병합)을 포함한 은하 화학 진화(GCE) 모델을 구축하였다.
• 최근의 SN Ia 원천 모델에서 유도된 지연 시간 분포(DTDs)를 사용하여 철계 원소의 시간에 따라 변화하는 풍부도를 시뮬레이션하였다.
• 관측 오차를 고려하여, SN Ia 비율, 수확량, DTDs의 전체 매개변수 공간을 탐색하기 위해 마르코프 체인 몬테카를로(MCMC) 프레임워크를 사용하였다.
• NLTE 및 LTE 모델 예측을 [Fe/H] ≈ -2.5에서 0.5의 금속도 범위에서 관측된 [Ni/Fe] 비율과 비교하여 최적의 SN Ia 채널 비율을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저금속도 은하 별에서 관측된 [Ni/Fe] 농도 비율에 비-LTE 효과가 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 특히 초-찬다스카르 질량 또는 찬다스카르 질량 원천이 은하수에서 관측된 [Ni/Fe] 경향을 가장 잘 재현하는가?
• RQ3 비-LTE 보정을 포함함으로써, 은하 화학 진화에서 초-찬다스카르 질량 SN Ia 사건의 비율이 어떻게 재평가되는가?
• RQ4 다른 별의 수확량(예: Limongi & Chieffi 2018 대비 Nomoto 등 2013)을 기반으로 한 GCE 모델은 비-LTE 농도를 사용할 때 관측된 [Ni/Fe] 패턴을 잘 재현하는가?
• RQ5 이전 유사 농도 연구에서의 제약과 일치하는가?

주요 결과

• 비-LTE 보정은 [Fe/H] ≈ -2에서 [Ni/Fe] 농도 비율을 약 +0.15 dex 증가시키며, 니켈 농도 결정에 상당한 영향을 미친다는 것을 시사한다.
• NLTE에서 관측된 [Ni/Fe] 비율은 금속도와 약간의 반상관관계를 보이며, [Fe/H] ≤ -1.0에서 약간 높은 값이 관측된다. 이는 LTE에서의 근사 태양 농도 [Ni/Fe]와 대조된다.
• NLTE [Ni/Fe] 데이터에 가장 잘 맞는 GCE 모델은 초-찬다스카르 질량 SN Ia 기여도가 약 75%가 되어야 하며, 이는 Eitner 등(2020)의 이전 제약과 일치한다.
• 질량이 큰 별에 대한 Limongi & Chieffi(2018) 수확량을 기반으로 한 GCE 모델은 관측된 NLTE [Ni/Fe] 패턴을 잘 재현하며, 저금속도에서 약간의 태양 초과 경향을 보이고, 태양 금속도로 향해 평탄해지는 경향을 보인다.
• 반면, Nomoto 등(2013)의 수확량을 사용한 모델은 특히 저금속도에서 [Ni/Fe] 비율을 과소평가하며, NLTE 데이터와 일치하지 않는다.
• 모든 금속도에서 NLTE 및 LTE 모두에서 [Ni/Fe] 비율의 낮은 산란(≤0.1 dex)은 농도 측정의 신뢰성과 GCE 모델링 프레임워크의 신뢰성을 뒷받침한다.