[논문 리뷰] The Scale of Stellar Yields: Implications of the Measured Mean Iron Yield of Core Collapse Supernovae

David H. Weinberg, Emily J. Griffith외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 11.

Gamma-ray bursts and supernovae인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Rodriguez 등(2023)이 보고한 최근의 핵성진화 초신성(CCNS)에서의 평균 철 생성량 $ar{y}_{ m Fe}^{ m cc} = 0.058 mid 0.007\,M_\odot$ 를 이용하여, 저금속도 성성성에서 관측된 $[\alpha/{ m Fe}]$ 플랫폼이 진정으로 생성량 비율을 반영한다는 가정 하에 $α$-요소 생성량의 절대 척도를 추론한다. 이는 산소와 마그네슘 생성량이 태양 값과 일치함을 보여주며, $M < 40\,M_\odot$ 별이 블랙홀을 형성하는 Sukhbold 등(2016) 모델을 지지하며, 이전에 상정된 것보다 낮은 은하 외부 유동을 암시하여 관측된 금속 농도 및 조성 패턴을 일치시키기 위한 강력한 바람의 필요성을 감소시킨다.

ABSTRACT

The scale of alpha-element yields is difficult to predict from theory because of uncertainties in massive star evolution, supernova physics, and black hole formation, and it is difficult to constrain empirically because the impact of higher yields can be compensated by greater metal loss in galactic winds. We use a recent measurement of the mean iron yield of core collapse supernovae (CCSN) by Rodriguez et al. (RMN23), $\bar{y}_{ m Fe}^{ m cc} =0.058 \pm 0.007 M_\odot$, to infer the scale of alpha-element yields by assuming that the plateau of [alpha/Fe] abundance ratios observed in low metallicity stars represents the yield ratio of CCSN. For a Kroupa IMF and a plateau at [alpha/Fe]=0.45, we find that the population-averaged yields of O and Mg per unit mass of star formation are about equal to the mass fractions of these elements in the sun. The inferred O and Fe yields agree with predictions of the Sukhbold et al. (2016) CCSN models assuming their Z9.6+N20 neutrino-driven engine, a scenario in which many progenitors with $M&lt;40M_\odot$ implode to black holes rather than exploding. The yields are lower than assumed in some models of galactic chemical evolution (GCE) and the galaxy mass-metallicity relation, reducing the level of outflows needed to match observed abundances. For straightforward assumptions, we find that one-zone GCE models with mass-loading factor $η\approx 0.6$ evolve to solar metallicity at late times. By requiring that models reach [alpha/Fe]=0 at late times, and assuming a mean Fe yield of $0.7M_\odot$ per Type Ia supernova, we infer a Hubble-time integrated SNIa rate of $1.1 imes 10^{-3} M_\odot^{-1}$, compatible with estimates from supernova surveys. The RMN23 measurement provides one of the few empirical anchors for the absolute scale of nucleosynthetic yields, with wide-ranging implications for stellar and galactic astrophysics.

연구 동기 및 목표

• 핵성진화 초신성에서 $α$-요소 핵합성 생성량의 절대 척도를 경험적 제약 조건을 이용해 결정하는 것.
• 은하화학적 진화(GCE) 모델에서 생성량 불확실성과 은하 외부 유동 효율 간의 오랫동안 지속된 딜레마를 해결하는 것.
• 저금속도 성성에서 관측된 $[\alpha/{\rm Fe}]$ 플랫폼이 실제로 CCSN의 진정한 생성량 비율을 반영하는지 테스트하는 것.
• 특히 거대 별에서 블랙홀 형성과 관련된 이론 모델과 추론된 생성량의 일관성을 평가하는 것.
• 은하 질량-금속 농도 관계와 간행금속 예산에 대한 함의를 평가하는 것.

제안 방법

• 저자들은 Rodriguez 등(2023)이 보고한 핵성진화 초신성에서의 평균 철 생성량 $ olinebreak[4]\bar{y}_{\rm Fe}^{\rm cc} = 0.058 \pm 0.007\,M_\odot$ 를 생성량 스케일링의 고정된 기준점으로 사용한다.
• 관측된 저금속도 성성에서의 $[\alpha/{\rm Fe}]_{\rm cc} = 0.45$ 플랫폼이 핵성진화 초신성에서 $α$-요소와 철의 진정한 생성량 비율을 반영한다는 가정을 한다.
• Kroupa(2001) 초기 질량 함수를 사용하여 산소와 마그네슘의 태양 농도에 대한 인구 평균 생성량을 유추한다.
• 시간에 따라 변하지 않는 외부 유동 효율 $ olinebreak[4]\eta = \dot{M}_{\rm out}/\dot{M}_*$ 와 Ia형 초신성의 지연된 시간 분포(DTD)를 포함한 일점 은하화학적 진화(GCE) 모델을 적용한다.
• 이중 매개변수 별 형성 역사(SFH)를 가진 GCE의 해석적 해를 사용하여 $[\alpha/{\rm Fe}]$ 와 $[\rm Fe/H]$ 의 진화를 모델링한다.
• 초기 우주의 중수소 대 수소 비율(D/H)과의 일관성을 검토하고, 늦은 시기의 $[\alpha/{\rm Fe}] \to 0$ 조건을 만족시키기 위해 허블 시간 동안의 SNIa 적립률을 유추한다.

Figure 1: Distribution of APOGEE disk and halo stars in $[\alpha/{\rm Fe}]$ - $[{\rm Fe/H}]$ for the $\alpha$ -elements O (left), Mg (middle), or Si (right). Above $[{\rm Fe/H}]=-0.8$ stars are randomly downsampled by a factor of 10; the transition to full sampling produces the edge at $[{\rm Fe/H}]

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경험적 철 생성량 측정치를 바탕으로 핵성진화 초신성에서 $α$-요소 생성량의 절대 척도는 무엇인가?
• RQ2 유추된 생성량은 거대 별 핵합성과 블랙홀 형성과 관련된 이론 모델과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 새로운 철 생성량 제약 조건을 고려할 때, 관측된 금속 농도 및 조성 패턴을 재현하기 위해 필요한 은하 외부 유동 수준은 무엇인가?
• RQ4 저금속도 성성에서 관측된 $[\alpha/{\rm Fe}]$ 플랫폼이 실제로 CCSN의 진정한 생성량 비율을 반영하고 있는가?
• RQ5 밀레이웨이 은하에서 관측된 $[\alpha/{\rm Fe}]$ 진화를 일치시키기 위해 필요한 허블 시간 동안의 SNIa 적립률은 얼마인가?

주요 결과

• 핵성진화 초신성에서 산소와 마그네슘의 인구 평균 생성량은 $\log y_{\rm O}^{\rm cc}/Z_{{\rm O},\odot} = \log y_{\rm Mg}^{\rm cc}/Z_{{\rm Mg},\odot} = -0.01 \pm 0.1$ 로 유추되었으며, 이는 태양 농도와 약간의 오차 범위 내에서 동일하다는 것을 의미한다.
• 유추된 생성량은 Z9.6+N20 중성미자 구동 엔진을 가정한 Sukhbold 등(2016)의 CCSN 모델과 일치하며, 이는 $M < 40\,M_\odot$ 원천 별에서 블랙홀 형성을 예측한다.
• 외부 유동 효율 $ olinebreak[4]\eta \approx 0.6$ 를 가진 일점 GCE 모델은 늦은 시기의 태양 금속 농도를 재현하며, 일부 이전 GCE 모델에서 상정된 것보다 낮은 외부 유동을 암시한다.
• 모델은 은하간 매질의 D/H 비율을 약 70%의 초기 우주의 값으로 예측하며, 이는 2σ 수준에서 관측 추정치와 일치한다.
• 늦은 시기의 $[\alpha/{\rm Fe}] \approx 0$ 을 달성하기 위해 허블 시간 동안의 SNIa 적립률은 $1.1 \times 10^{-3}\,M_\odot^{-1}$ 으로 추정되었으며, 초신성 설문 조사 추정치와 호환된다.
• RMN23 철 생성량 측정치는 항성 생성량의 절대 척도에 있어 중요한 경험적 기준점이 되며, 항성 진화, 은하 형성 및 간행금속 예산에 광범위한 함의를 지닌다.

Figure 2: Left: Continuous explosion landscapes for a range of $e_{0}$ values ( $0.035-0.07$ and All Explode) as a function of progenitor ZAMS mass. Horizontal lines indicate the masses where successful explosions occur. Lines are colored by $e_{0}$ , with low values of $e_{0}$ in yellow and high va