[논문 리뷰] Stellar Migration and Chemical Enrichment in the Milky Way Disc: A Hybrid Model

James W. Johnson, David H. Weinberg외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 17.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 238인용 수 78

한 줄 요약

이 논문은 은하화학진화 모델의 하이브리드 버전을 제시하며, 다중 링 화학강화 프레임워크를 은하계의 우주론적 유체역학 시뮬레이션에서 유도된 항성 이동과 수직 구조와 결합한다. 이 모델은 [O/Fe]의 경계 및 수직 기울기, 이중성 [α/Fe] 분포, 비단조선적 연령-금속도 관계, 그리고 젊은 α-강화 항성과 같은 디스크의 관측된 화학적 특징을 성공적으로 재현하며, 이동과 시간에 따라 변화하는 항성 형성의 핵심적 역할을 부각시킨다.

ABSTRACT

We develop a hybrid model of galactic chemical evolution that combines a multi-ring computation of chemical enrichment with a prescription for stellar migration and the vertical distribution of stellar populations informed by a cosmological hydrodynamic disc galaxy simulation. Our fiducial model adopts empirically motivated forms of the star formation law and star formation history, with a gradient in outflow mass loading tuned to reproduce the observed metallicity gradient. With this approach, the model reproduces many of the striking qualitative features of the Milky Way disc's abundance structure: (i) the dependence of the [O/Fe]-[Fe/H] distribution on radius $R_ ext{gal}$ and midplane distance $|z|$; (ii) the changing shapes of the [O/H] and [Fe/H] distributions with $R_ ext{gal}$ and $|z|$; (iii) a broad distribution of [O/Fe] at sub-solar metallicity and changes in the [O/Fe] distribution with $R_ ext{gal}$, $|z|$, and [Fe/H]; (iv) a tight correlation between [O/Fe] and stellar age for [O/Fe] $>$ 0.1; (v) a population of young and intermediate-age $\alpha$-enhanced stars caused by migration-induced variability in the Type Ia supernova rate; (vi) non-monotonic age-[O/H] and age-[Fe/H] relations, with large scatter and a median age of $\sim$4 Gyr near solar metallicity. Observationally motivated models with an enhanced star formation rate $\sim$2 Gyr ago improve agreement with the observed age-[Fe/H] and age-[O/H] relations, but worsen agreement with the observed age-[O/Fe] relation. None of our models predict an [O/Fe] distribution with the distinct bimodality seen in the observations, suggesting that more dramatic evolutionary pathways are required. All code and tables used for our models are publicly available through the Versatile Integrator for Chemical Evolution (VICE; https://pypi.org/project/vice).

연구 동기 및 목표

• 우주론적 시뮬레이션 출력과 분석적 화학진화 프레임워크를 통합한 물리적으로 타당한 하이브리드 은하화학진화 모델을 개발하는 것.
• 항성 이동과 시간에 따라 변화하는 항성 형성력이 은하계 디스크의 관측된 화학조직을 어떻게 형성하는지 조사하는 것.
• 이동과 변동하는 초신성 비율이 관측된 [α/Fe]의 이중성, 연령-화학관계, 금속도 기울기를 설명할 수 있는지 테스트하는 것.
• 모델의 항성 형성 및 유출 이력으로부터 분리하여 이동의 화학패턴에 미치는 영향을 분리하여 고려하는 것.
• 관측 제약 조건을 갖춘 다양한 화학진화 시나리오를 테스트할 수 있는 융통성 있고 공개 가능한 모델링 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 다중 링 화학진화 모델을 은하계의 우주론적 유체역학 디스크은하 시뮬레이션(에이글 유사, 그러나 특정하지 않음)에서 유도된 항성 이동 및 수직 인구 분포와 결합한다.
• 관측된 경계 금속도 기울기를 재현하기 위해 조정된 경험적 형태를 갖춘 시간 및 반경에 따라 변화하는 항성 형성 법칙을 사용한다.
• 시뮬레이션에서 유도된 시간 및 반경에 따라 변화하는 이동률을 통해 항성 이동을 구현하며, 궤도 반경과 수직 스케일 높이에 영향을 미친다.
• 총 항성 질량과 반경 방향 표면 밀도 프로파일을 기반으로 캘리브레이션된 시간에 따라 변화하는 정규화를 갖춘 융통성 있는 항성 형성력(SFH)을 적용한다.
• 핵붕괴 초신성에서 유래한 산소와 핵붕괴 초신성 및 초신성 Ia에서 유래한 철의 초신성 수확량을 포함하며, Ia형 초신성 비율은 이동에 의해 유도된 변동성에 의해 조절된다.
• VICE 코드베이스를 사용하여 화학진화를 계산하며, SFH, 유출 질량 로딩, 지연시간 분포에 대한 사용자 정의 함수를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 항성 이동과 시간에 따라 변화하는 항성 형성은 관측된 [O/Fe], [Fe/H], [O/H]의 경계 및 수직 기울기를 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ2 Ia형 초신성 비율의 이동 유도 변동성이 태양계 근처의 젊고 α-강화 항성의 존재를 설명할 수 있는가?
• RQ3 관측된 연령-[O/Fe] 및 연령-[Fe/H] 관계가 비단조선적 경향과 큰 산란을 보이는 이유는 무엇이며, 이는 이중성 핵합성의 가정 없이 재현될 수 있는가?
• RQ4 후기 항성 형성 폭발이 관측된 연령-금속도 관계와의 일치를 향상시키는가? 그리고 [O/Fe] 기울기와의 상충관계는 어떠한가?
• RQ5 왜 모델이 관측된 [α/Fe]의 이중성 분포를 재현하지 못하는가? 이는 더 복잡한 진화 경로의 필요성을 암시하는가?

주요 결과

• 모델은 [O/Fe]-[Fe/H] 분포의 경계 및 수직 의존성, 특히 |z|가 증가함에 따라 기울기가 평탄해지는 현상을 성공적으로 재현한다.
• 저금속도 영역에서 넓은 [O/Fe] 분포와 그 반경 및 높이에 따른 진화를 포괄하며, |z|가 크거나 외곽 반경에서 산란이 증가하는 경향을 보인다.
• 모델은 [O/Fe] > 0.1 인 경우 [O/Fe]와 항성 연령 사이의 밀접한 상관관계를 재현하며, 태양 금속도에서 중앙값 연령은 약 4 Gyr이다.
• 이동에 의해 유도된 Ia형 초신성 비율의 변동성이 관측과 일치하는 젊고 중간 연령의 α-강화 항성 집단을 자연스럽게 생성한다.
• 연령-[Fe/H] 및 연령-[O/H] 관계는 산만하게 비단조선적이며, 후기 폭발 모델이 관측과의 일치를 향상시키며, 특히 태양계 근처를 벗어난 영역에서 두드러진다.
• 조정을 거친 후에도 어떤 모델도 데이터에서 관측된 명백한 이중성 [O/Fe] 분포를 재현하지 못하며, 이는 표준 초신성 수확량과 이동 외에 추가적인 물리적 메커니즘이 필요함을 시사한다.