[논문 리뷰] On the Galactic chemical evolution of sulphur. Sulphur abundances from the [S i] 1082 nm line in giants

E. Matrozis, N. Ryde외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 08. 31.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 62인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 균일한 별성분과 1D LTE MARCS 모델을 사용하여 39개의 금속 빈도가 낮은 거성에서 [S I] λ1082 nm 선을 통해 황의 농도를 유도한다. 그 결과, [Fe/H] ≤ -1 범위에서 [S/Fe]는 약 0.3로 거의 일정하며, 이는 황이 타입 II 초신성에서 생성된 전형적인 α핵종임을 지지하며, 일부 이전 연구에서 저금속도에서 높은 [S/Fe]를 보고한 바와는 정면으로 배치된다.

ABSTRACT

Context. The Galactic chemical evolution of sulphur is still under debate. At low metallicities some studies find no correlation between [S/Fe] and [Fe/H], others find [S/Fe] increasing towards lower metallicities, and still others find a combination of the two. Each scenario has different implications for the Galactic chemical evolution of sulphur. Aims. To contribute to the discussion on the Galactic chemical evolution of sulphur by deriving sulphur abundances from non-LTE insensitive spectral diagnostics in Disk and Halo stars with homogeneously determined stellar parameters. Methods. We derive Teff from photometric colours, logg from stellar isochrones and Bayesian estimation, and [Fe/H] and [S/Fe] from spectrum synthesis. We derive [S/Fe] from the [S i] 1082 nm line in 39 mostly cool and metal-poor giants, using 1D LTE MARCS model atmospheres to model our high-resolution NIR spectra obtained with the VLT, NOT and Gemini South telescopes. Results. We derive homogeneous stellar parameters for 29 stars. Our results argue for a chemical evolution of sulphur that is typical for alpha-elements, contrary to some previous studies. Our abundances are systematically higher by about 0.1 dex in comparison to other studies that arrived at similar conclusions using other sulphur diagnostics. Conclusions. We find the [S i] line to be a valuable diagnostic of sulphur abundances in cool giants down to [Fe/H] ~ -2.3. We argue that a homogeneous determination of stellar parameters is necessary, since the derived abundances are sensitive to them. Our results ([S/Fe]) show reasonable agreement with predictions of contemporary models of Galactic chemical evolution. In these models sulphur is predominantly created in massive stars by oxygen burning, and ejected in the ISM during Type II SNe explosions. Systematic differences with previous studies likely fall within modelling uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 금속 빈도가 낮은 거성에서 균일한 황 농도를 유도하여 황의 은하화학진화에 대한 논란을 해결하기 위해.
• 넓은 금속도 범위에서 [S/Fe]를 측정하여 황이 전형적인 α핵종으로 행동하는지 평가하기 위해.
• [S I] λ1082 nm 선이 냉각 거성에서 황 농도를 비비례하지 않는 비-비례 효과에 민감하지 않은 진단 도구로 신뢰할 수 있는지 평가하기 위해.
• 별성분의 불확실성이 황 농도 결정에 어떤 영향을 미치며, 이전 연구와의 견해 차이를 어떻게 해소할 수 있는지 조사하기 위해.
• 현행 은하화학진화 모델과 비교하여 타입 II 초신성과 초신성의 역할이 황 생성에 어떤 영향을 미치는지 테스트하기 위해.

제안 방법

• 효과 온도는 광도 색깔 보정식(González Hernández & Bonifacio 2009)을 사용하여 유도되었으며, 이는 표본 전체에 걸쳐 균일한 T_eff 척도를 제공한다.
• 표면중력은 항성 이소클론과 베이지안 추정을 사용하여 결정되었으며, 표본 전체에서 일관된 log g 값이 확보되었다.
• 금속도와 황 농도는 고해상도 근적외선 스펙트럼에서 [S I] λ1082.1 nm 선의 스펙트럼 합성에 의해 유도되었다.
• 1D LTE MARCS 대기 모델을 사용하여 관측 스펙트럼을 합성하고, 비-비례 효과가 최소화된 원소 농도를 유도하였다.
• 29개의 별에 대해 별성분을 균일하게 결정하여 이전 연구에서 흔히 발생하던 체계적 불확실성을 감소시켰다.
• 다른 진단 도구(예: λ923 nm 삼중선)를 사용한 이전 연구와의 비교를 통해 체계적 오프셋을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 [S I] λ1082.1 nm 선이 냉각되고 금속 빈도가 낮은 거성에서 황 농도를 비-비례 효과에 민감하지 않은 신뢰할 수 있는 진단 도구로 제공하는가?
• RQ2 금속 빈도가 낮은 별(−2.4 ≤ [Fe/H] ≤ 0.2)에서 [S/Fe] 비율이 저금속도에서 일정한가? 이는 전형적인 α핵종의 행동과 일치하는가?
• RQ3 유도된 황 농도는 주로 타입 II 초신성에 의해 결정되는 은하화학진화 모델의 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이전 연구와의 견해 차이가 본질적인 농도 변화가 아니라 별성분 결정 방식의 차이에서 기인하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 별성분의 불확실성이 최종 황 농도의 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• [S I] λ1082.1 nm 선은 T_eff ≤ 5200 K 이며 [Fe/H] ≥ −2.3 조건의 거성에서 황 농도를 위한 강력하고 비-비례 효과에 민감하지 않은 진단 도구이다.
• 금속 빈도가 낮은 별에서 [Fe/H] ≤ −1 범위에서 황 농도는 금속도에 따라 유의미한 경향을 보이지 않으며, [S/Fe] ≈ 0.3의 평탄한 플랫폼을 형성하여 전형적인 α핵종 행동과 일치한다.
• 이전 연구에서 λ923 nm 삼중선을 사용한 결과보다 약 0.1 dex 더 높은 황 농도를 유도하였으며, 이는 별성분 또는 진단 도구에 기인한 체계적 오프셋을 시사한다.
• 별성분의 불확실성—특히 효과 온도와 표면중력—이 황 농도 결정의 총 불확실성의 주요 기여 요소이다.
• 결과는 주로 타입 II 초신성을 황 생성의 주요 기여원으로 강조하는 현행 은하화학진화 모델과 보다 잘 일치하며, 초신성과 같은 추가 메커니즘의 필요성이 최소한으로 된다.
• 균일한 성분 결정이 필수적임을 보여주며, 연구 간 T_eff, log g, 금속도의 차이가 보고된 [S/Fe] 값의 산란을 설명하는 데 큰 기여를 한다.