[論文レビュー] Galactic chemical enrichment with new metallicity dependent yields

L. Portinari, C. Chiosi+1 more|ArXiv.org|Nov 27, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、対象星の質量が6–120 M⊙、金属量が5段階（Z = 0.0004 から 0.05）にわたる、金属量依存性を持つ新しい均一な星間物質の生成物（星の核融合生成物）のグリッドを提示する。この生成物は、対流拡散と静止状態での質量損失を含むパドヴァの進化軌道に基づいて導出されたものであり、太陽系近傍の化学的進化モデルに統合された結果、初期の組成が核融合生成物に与える影響と質量損失を考慮することで、観測された元素組成パターンとの整合性が向上した。

ABSTRACT

New detailed stellar yields of several elemental species are derived for massive stars in a wide range of masses (from 6 to 120 Msol) and metallicities (Z= 0.0004, 0.004, 0.008, 0.02, 0.05). Our calculations are based on the Padova evolutionary tracks and take into account recent results on stellar evolution, such as overshooting and quiescent mass-loss, paying major attention to the effects of the initial chemical composition of the star. We finally include modern results on explosive nucleosynthesis in SNae by Woosley & Weaver 1995. The issue of the chemical yields of Very Massive Objects (from 120 to 1000 Msol) is also addressed. Our grid of stellar yields for massive stars is complementary to the results by Marigo et al. (1996, 1997) on the evolution and nucleosynthesis of low and intermediate mass stars, also based on the Padova evolutionary tracks. Altogether, they represent a complete set of stellar yields of unprecedented homogeneity and self-consistency. Our new stellar yields are inserted in a code for the chemical evolution of the Galactic disc with infall of primordial gas, according to the formulation first suggested by Talbot & Arnett (1971, 1973, 1975) and Chiosi (1980). As a first application, the code is used to develop a model of the chemical evolution of the Solar Vicinity, with a detailed comparison to the available observational constraints.

研究の動機と目的

• 金属量に依存する星間物質生成物が不足していた既存のモデルを補完し、質量が6–120 M⊙の巨大星に対して、一貫性があり均一な生成物グリッドを構築すること。
• 対流拡散、静止状態での質量損失、および最新の超新星核融合生成物（Woosley & Weaver 1995）の影響を生成物計算に組み込むこと。
• 宇宙物理学的応用に必要な極めて大きな初期質量（120–1000 M⊙）を想定した生成物グリッドを拡張すること。
• 一貫性のある生成物セットを用いて、太陽系近傍の観測的制約と照らし合わせて化学的進化モデルをキャリブレーションおよびテストすること。
• 初期組成と元素生成物を結びつけるQij行列形式を実装し、変化する星間媒体の組成に応じて再還元分率を動的に調整できるようにすること。

提案手法

• 6–120 M⊙の星に対して、5段階の金属量（Z = 0.0004, 0.004, 0.008, 0.02, 0.05）を想定し、Padovaの進化軌道（Bressan et al. 1993; Fagotto et al. 1994）を用いる。
• 生成物計算に、ゼロ・エイジ・メインシーケンス（ZAMS）から対流拡散と静止状態での質量損失を組み込む。
• 爆発的段階には、最新の超新星核融合生成物（Woosley & Weaver 1995）を適用する。
• 各元素の生成物がその核融合生成源と初期組成にどのように関連するかを示すQij行列形式を用いて、噴出物分率を導出する。
• Talbot & Arnett (1971)の定式化に基づき、降着を含む銀河ディスクの化学的進化モデルを構築し、更新された星間物質生成物を用いる。
• 星の形成時刻に応じた再還元分率R_Mi(t−τ_M)を、金属量依存性のQij行列と変化する初期元素組成X_j(t−τ_M)を組み合わせて解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量および初期組成が、C, N, O, Ne, Mg, Si, S, Feの生成物にどのように影響を与えるか？特に、Z ≥ 0.008 の巨大星において。
• RQ2 対流拡散および静止状態での質量損失が、巨大星の最終的な元素組成と噴出物に与える影響は？
• RQ3 極めて巨大星（120–1000 M⊙）の生成物は、初期の銀河の化学的豊度向上にどのように寄与するか？
• RQ4 金属量依存性の生成物グリッドを導入することで、化学的進化モデルと太陽系近傍の観測的元素組成データとの一致度がどの程度向上するか？
• RQ5 Qij行列形式は、初期組成の影響を化学的進化モデル内に効果的に伝播させ、一貫性のある生成物スケーリングを可能にするか？

主な発見

• 新しい生成物グリッドは、金属量がC, N, O, Feの噴出質量分率に顕著な影響を与えることを示しており、特にZ ≥ 0.008の巨大星において顕著である。
• 静止状態での質量損失を組み込むことで、巨大星の最終質量が低下し、特にCおよびN同位体の噴出物組成が変化することが分かった。
• 超新星生成物は、前爆発構造に依存しており、金属量と質量損失に依存するため、Si, S, Feグループ元素の噴出にばらつきが生じる。
• 太陽系近傍の観測された元素比（例：[O/Fe], [C/Fe], [N/O]）を、太陽組成のみを仮定したモデルよりも正確に再現できた。
• Qij行列形式により、変化する星間媒体の組成に応じた動的生成物スケーリングが可能となり、観測された元素組成トレンドとのモデル整合性が向上した。
• 極めて巨大星（最大1000 M⊙）の生成物を組み込むことで、金属不足の系における初期の重元素豊度向上の妥当なメカニズムが得られたが、その寄与度はまだ不確実である。