[论文解读] Metal-poor halo stars as tracers of ISM mixing processes during halo formation

D. Argast, M. Samland+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 1999

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文提出了一种随机星系晕形成模型，通过解析单个大质量超新星的局部非均匀性，模拟了早期星际介质（ISM）的化学增丰。该模型通过表明在[Fe/H] < -2.0时非均匀混合占主导地位，而在[Fe/H] > -2.0时过渡为充分混合的ISM，解释了金属贫乏星族II恒星中[El/Fe]比值的观测离散性，特别是Si、Ca和Eu的离散性，并强调了为匹配Cr和Mn的观测趋势，需对核心坍缩超新星的产出量进行修正。

ABSTRACT

We introduce a stochastic halo formation model to compute the early chemical enrichment of the interstellar medium (ISM) of the halo. Contrary to 1-zone chemical evolution models, we are able to resolve local inhomogeneities in the ISM caused by single core-collapse supernovae. These inhomogeneities lead to different element abundance patterns in very metal-poor stars, which can be seen as scatter in the abundances of halo stars with metallicities [Fe/H] &lt; 2.0. The early chemical evolution of the halo proceeds in different enrichment phases: At [Fe/H] &lt; -3.0, the halo ISM is unmixed and dominated by local inhomogeneities caused by single core-collapse supernova (SN) events. For metallicities [Fe/H] &gt;-2.0 the halo ISM is well mixed, showing an element abundance pattern integrated over the initial mass function. In the range -3.0 &lt; [Fe/H] &lt; -2.0 a continuous transition from the unmixed to the well mixed ISM occurs. For some elements (Si, Ca, Eu), the scatter in the element-to-iron ratio [El/Fe] seen in the observations of metal-poor halo stars can be reproduced. Stellar yields of other elements predict a scatter which, compared to the observations, is too large (O, Mg) or too small (Ni). Cr and Mn show a decreasing trend for lower metallicities, which can not be explained by metallicity independent yields, provided that the mixing of the ejecta with the interstellar medium does not depend on progenitor mass. This demonstrates the need for revised, self-consistent core-collapse SN yields.

研究动机与目标

• 理解[Fe/H] < -2.0的金属贫乏星族II恒星中丰度离散性的起源。
• 研究单个核心坍缩超新星引起的非均匀混合如何影响早期ISM的化学演化。
• 检验随机增丰模型是否能再现星族II恒星中观测到的[El/Fe]模式。
• 识别观测到的元素丰度趋势与标准核心坍缩超新星产出量之间的差异。
• 基于Cr和Mn的观测趋势，确定是否需要修正的、自洽的核心坍缩超新星产出量。

提出的方法

• 开发了一种随机星系晕形成模型，以模拟早期ISM的化学增丰，同时考虑单个核心坍缩超新星引起的局部非均匀性。
• 该模型追踪元素生成与混合随时间的变化，区分由单个超新星事件主导的未混合相和由初始质量函数控制的充分混合相。
• 计算元素丰度随金属度的变化，特别关注Si、Ca、Eu、O、Mg、Ni、Cr和Mn的[El/Fe]比值。
• 将模型预测的丰度离散性与金属贫乏星族II恒星的观测数据进行比较。
• 假设产出量与金属度无关，并研究混合效率对观测丰度模式的影响。
• 该模型识别出观测到的Cr和Mn趋势与标准产出量之间存在不一致，暗示需要对超新星产出量进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机模型能否再现[Fe/H] < -2.0的金属贫乏星族II恒星中[El/Fe]比值的观测离散性？
• RQ2 单个核心坍缩超新星在早期ISM中形成非均匀性的角色是什么？
• RQ3 为何观测到的Cr和Mn丰度趋势随金属度变化与基于金属度无关产出量的预测存在偏差？
• RQ4 在金属度范围-3.0 < [Fe/H] < -2.0内，未混合到充分混合ISM状态的转变过程如何发生？
• RQ5 O、Mg和Ni的预测与观测丰度离散性之间的不匹配，对当前核心坍缩超新星产出量模型意味着什么？

主要发现

• 该模型成功再现了金属贫乏星族II恒星中[Si/Fe]、[Ca/Fe]和[Eu/Fe]比值的观测离散性，表明单个超新星引起的非均匀混合是关键因素。
• 对于[Fe/H] < -3.0，ISM仍处于未混合状态，主要受单个核心坍缩超新星引起的局部非均匀性主导。
• 在-3.0 < [Fe/H] < -2.0范围内，ISM从未混合状态向充分混合状态发生连续过渡。
• 观测到的Cr和Mn丰度趋势随金属度降低而减小，若不假设混合效率依赖于前身星质量，仅靠金属度无关的产出量无法再现该趋势。
• 该模型识别出O和Mg的预测丰度离散性（过大）与Ni的预测丰度离散性（过小）与观测结果存在显著差异，表明需要对核心坍缩超新星产出量进行修正。
• 结果表明，当前的超新星产出量模型与Cr和Mn的观测结果不一致，因此必须采用自洽的、经修正的产出量。