[논문 리뷰] The origin of nitrogen: Implications of recent measurements of N/O in Galactic metal-poor stars

C. Chiappini, F. Matteuccí외 1명|ArXiv.org|2005. 03. 23.

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한 줄 요약

이 논문은 매우 금속 빈도가 낮은 대량 별에서 빠른 회전으로 인해 증가된 질소 생성이 은하 허브 별에서 관측된 예상치 못한 높은 N/O 비율을 설명한다. Z < 10⁻⁵에서 60 M⊙ 별의 14N 생성량을 최대 200배로 증가시킴으로써, 이 모델은 금속 빈도가 낮은 별에서의 높은 N/O 비율과 태양계 근처에서 관측된 N/O 비율을 모두 재현하며, 은하수 디스크에서 음의 N/O 농도 기울기를 예측한다.

ABSTRACT

Recent new high-precision abundance data for Galactic halo stars suggest important primary nitrogen production in very metal-poor massive stars. Here, we compute a new model for the chemical evolution of the Milky Way aimed at explaining these new abundance data. The new data can be explained by adopting: a) the stellar yields obtained from stellar models that take into account rotation and b) an extra production of nitrogen in the very metal-poor massive stars. In particular, we suggest an increase of nearly a factor of 200 in 14N for a star of 60 Msun and 40 for a star of 9Msun, for metallicities below Z=10$^{-5}$, with respect to the yields given in the literature for Z=10$^{-5}$ and rotational velocity of 300 km/s. We show that once we adopt the above prescriptions, our model is able to predict high N/O abundance ratios at low metallicities and still explains the nitrogen abundances observed in thin disk stars in the solar vicinity. The physical motivation for a larger nitrogen production in massive stars in very metal-poor environments could be the fact that some stellar models as well as observational data suggest that at low metallicities stars rotate faster. If this is the case, such large nitrogen production seen in the pristine phases of the halo formation would not necessarily happen in Damped Lyman-alpha systems which have metallicities always above [Fe/H]$\simeq -$2.5, and could have been pre-enriched. We also compute the abundance gradient of N/O along the Galactic disk and show that a negative gradient is predicted once we adopt stellar yields where rotation is taken into account. The latter result implies that intermediate mass stars contribute less to the primary nitrogen than previously thought.

연구 동기 및 목표

• 최근 금속 빈도가 낮은 허브 별에서의 고정밀 N/O 측정값을 은하수의 화학적 진화 모델과 조율하기 위해.
• 낮은 금속 빈도에서 대량 별의 강화된 1차 질소 생성이 관측된 농도 패턴을 설명할 수 있는지 조사하기 위해.
• 별의 회전과 질량 손실이 질소 생성량에 끼치는 영향과 은하수 화학적 진화에 대한 함의를 평가하기 위해.
• 감쇠된 릴레이먼-알파 시스템(DLAs)에 대한 함의를 검토하기 위해, 특히 그들의 N/O 농도 이원성에 대해.
• 수정된 생성량을 바탕으로 중간 질량 별이 1차 질소 생성에 상당한 기여를 하는지 여부를 규명하기 위해.

제안 방법

• 빠른 회전과 질량 손실를 고려한 Meynet & Maeder (2002)의 별 생성량을 채택하였으며, 저금속 빈도에서 14N 생성량을 증가시키기 위해 수정하였다.
• 은하수의 히우리스틱 화학적 진화 모델을 수립하였으며, Z = 10⁻⁵ 이하에서 대량 별의 질소 생성량을 조정하였다.
• 허브 별과 얇은 디스크 별에서의 관측된 N/O, C/O, C/Fe 농도와 모델 예측을 비교하였다.
• 회전 영향을 받는 생성량을 사용하여 은하수 디스크 전역의 N/O 농도 기울기를 계산하였다.
• 기본 모델에 포함되지 않은 고온 바닥 연소(HBB)와 제3의 덜어내림 작용을 중간 질량 별에서 평가하였다.
• Spitе et al. (2005) 및 Israelian et al. (2004)의 관측 데이터를 사용하여 모델 파rameter를 제약 조건에 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 금속 빈도가 낮은 허브 별은 표준 별 생성량으로 예측된 것보다 높은 N/O 비율을 보여주는가?
• RQ2 낮은 금속 빈도에서 대량 별의 강화된 질소 생성이 은하수 허브에서 관측된 농도 패턴을 설명할 수 있는가?
• RQ3 별의 회전은 금속 빈도가 낮은 대량 별에서 1차 질소 생성량을 증가시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 회전 영향을 받는 생성량을 포함함으로써 은하수 디스크에서 예측된 N/O 농도 기울기는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 감쇠된 릴레이먼-알파 시스템(DLA)에서 관측된 N/O 이원성은 연령의 차이가 아니라 별 형성 역사 차이로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• Z < 10⁻⁵에서 60 M⊙ 별의 14N 생성량을 200배로 증가시켜야 금속 빈도가 낮은 허브 별에서 관측된 N/O 비율을 재현할 수 있다.
• 동일한 금속 빈도에서 9 M⊙ 별의 14N 생성량을 약 40배로 증가시켜야 데이터를 재현할 수 있다.
• 이 모델은 금속 빈도가 낮은 허브 별에서의 높은 N/O 비율과 태양계 근처에서 관측된 N/O 비율을 성공적으로 재현한다.
• 회전 영향을 받는 생성량을 포함함으로써 은하수 디스크 전역에서 음의 N/O 농도 기울기가 예측된다.
• 회전을 고려할 경우 중간 질량 별이 이전에 생각했던 것보다 1차 질소 생성에 더 적은 기여를 한다.
• 이 모델은 [Fe/H] ≈ -2.5 이상의 금속 빈도를 가진 DLA 시스템은 허브와 동일한 빠른 회전 대량 별 단계를 경험하지 못했을 가능성이 있으며, 이는 그들의 낮은 N/O 비율을 설명한다.