[논문 리뷰] Planetary nebulae and HII regions in the spiral galaxy NGC 300. Clues on the evolution of abundance gradients and on AGB nucleosynthesis

G. Stasińska, M. Peña외 2명|Open Research Online (The Open University)|2013. 01. 22.

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena참고 문헌 66인용 수 32

한 줄 요약

이 연구는 NGC 300의 26个人성 성운(PNe)과 9개의 밀도 높은 H II 영역을 대상으로 깊은 스펙트로스코피 분석을 수행하여, PNe는 H II 영역보다 뚜렷하게 높은 N/O 비율과 더 큰 원소 농도 분산을 보이며, 제2중간업(up)을 초월한 추가 핵합성 작용을 시사함을 밝혀냄. PNe에서는 O/H, Ne/H, Ar/He 경향성이 더 얕아지며, 최근 10억 년 동안 금속성 경향성이 강화된 것으로 보이며, 이는 주로 원반 방향 혼합 또는 별의 자전에 의해 유도되는 진화 때문일 가능성이 있음.

ABSTRACT

We have obtained deep spectra of 26 planetary nebulae (PNe) and 9 compact HII regions in the nearby spiral galaxy NGC 300, and analyzed them together with those of the giant HII regions previously observed. We have determined the physical properties of all these objects and their He, N, O, Ne, S and Ar abundances in a consistent way. We find that, globally, compact HII regions have abundance ratios similar to those of giant HII regions, while PNe have systematically larger N/O ratios and similar Ne/O and Ar/O ratios. We demonstrate that the nitrogen enhancement in PNe cannot be only due to second dredge-up in the progenitor stars, since their initial masses are around 2--2.5\,\msun. An extra mixing process is required, perhaps driven by stellar rotation. Concerning the radial abundance distribution, PNe behave differently from HII regions: in the central part of the galaxy their average O/H abundance ratio is 0.15 dex smaller. Their abundance dispersion at any galactocentric radius is significantly larger than that shown by HII regions and many of them have O/H values higher than HII regions at the same galactocentric distance. This suggests that not only nitrogen, but also oxygen is affected by nucleosynthesis in the PN progenitors, by an amount which depends at least on the stellar rotation velocity and possibly other parameters. The formal O/H, Ne/H and Ar/He abundance gradients from PNe are significantly shallower that from HII regions. We argue that this indicates a steepening of the metallicity gradient in NGC 300 during the last Gyr, rather than an effect of radial stellar motions, although the large observed dispersion makes this conclusion only tentative.

연구 동기 및 목표

• 근접한 나선파란은 NGC 300의 별성 성운(PNe)과 H II 영역의 화학 농도를 조사하여 금속성 경향성의 진화를 탐구함.
• 관측된 PNe의 질소 농도 증가가 별의 기원 별에서 발생하는 핵합성, 특히 제2중간업을 초월한 과정에 기인하는지 규명함.
• PNe에서 유도된 농도 경향성과 H II 영역에서의 경향성 간의 체계적 차이를 평가하고, 이는 나선파란의 화학 진화에 어떤 함의를 갖는지 분석함.
• 별의 자전과 추가 혼합 과정이 PNe 기원 별의 화학 조성을 어떻게 형성하는지 검토함.
• 특히 이온화 보정 인자와 먼지 흡착 영향을 고려할 때, PNe에서의 농도 결정의 신뢰성을 평가함.

제안 방법

• VLT의 FORS2 장비를 사용하여 NGC 300의 26개 PNe와 9개의 밀도 높은 H II 영역에서 고신호대비노이즈 스펙트럼을 확보함.
• 충돌적으로 자극된 선(CELs), 특히 [O III] λ4363 및 [S II] λλ6717,6731를 이용하여 물리적 조건(전자 온도 및 밀도)을 결정함.
• 온도 기반 방법을 사용하여 이온 농도를 계산하고, 총 원소 농도를 도출하기 위해 이온화 보정 인자(ICFs)를 적용함. He, N, O, Ne, S, Ar에 대해 분석함.
• 이전의 이미지 조사에서 기인한 오분류를 수정하기 위해 광학적 후보 PNe와 H II 영역을 분광학적 분류와 정합함.
• PNe와 H II 영역의 각각의 은하 중심 반경에서 O/H, Ne/H, Ar/He 비율을 비교하여 반경 방향 농도 경향성 분석을 수행함.
• 별의 자전과 추가 혼합이 관측된 농도 패턴, 특히 PNe에서의 N/O 및 O/H 증가에 미치는 영향을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NGC 300의 PNe에서 N/O 비율이 H II 영역보다 얼마나 높은가? 이는 제2중간업만으로 설명될 수 있는가?
• RQ2 NGC 300에서 PNe로 유도된 반경 방향 농도 경향성과 H II 영역의 경향성 간의 비교는 금속성 경향성의 진화에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 왜 PNe는 은하 중심 반경에서 H II 영역보다 O/H 농도 분산이 더 큰가?
• RQ4 별의 자전은 PNe 기원 별 표면에 CNO 처리된 물질을 끌어올리는 추가 혼합을 어떻게 유도하는가?
• RQ5 PNe에서 관측된 얕은 농도 경향성은 최근 10억 년 동안 금속성 경향성이 실제로 강화된 결과인가, 아니면 은하 중심 방향의 별 운동 때문인가?

주요 결과

• NGC 300의 PNe는 H II 영역보다 체계적으로 더 높은 N/O 비율을 보이며, 이는 질소 농도 증가가 제2중간업만으로 설명될 수 없음을 시사함. 이는 기원 별 질량 약 2–2.5 M⊙로 추정된 것과도 부합하지 않음.
• NGC 300의 중심 영역에서 PNe의 평균 O/H 농도 비율은 H II 영역보다 0.15 dex 낮으며, 이는 산소 역시 기원 별에서의 핵합성 영향을 받았음을 시사함.
• 모든 은하 중심 반경에서 O/H, Ne/O, Ar/O의 농도 분산은 PNe에서 H II 영역보다 뚜렷하게 더 큼. 이는 비균일한 화학적 풍화 역사가 있음을 시사함.
• PNe에서 유도된 공식적인 O/H, Ne/H, Ar/He 농도 경향성은 H II 영역보다 더 얕고 거의 평탄함. 이는 최근 10억 년 동안 금속성 경향성이 강화되었을 가능성이 있음을 암시함.
• PNe에서 관측된 농도 패턴은 별의 자전에 의해 유도되는 추가 혼합 과정이 CNO 처리된 물질을 PNe 단계 이전에 표면으로 올리는 것으로 가장 잘 설명됨.
• PNe에서 황 농도는 자극도에 따라 비물리적인 경향을 보이며, 현재의 황에 대한 이온화 보정 인자가 부적절함을 시사함. 이는 다른 원소의 농도 결정에도 영향을 줄 수 있음.