[論文レビュー] The GALAH Survey: Dependence of elemental abundances on age and metallicity for stars in the Galactic disc

Sanjib Sharma, Michael Hayden+25 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用数 33

ひとこと要約

本研究では、GALAH調査のデータを用いて、銀河平面の星における元素のフルエンスが、星の年齢と[Fe/H]に滑らかで予測可能な依存関係を示し、固有の散乱が約0.03–0.05 dexと小さいことを示した。研究結果は、年齢と金属量の独立的で加法的な傾向を示しており、フルエンス勾配が明確な核融合生成源と関連していることを明らかにした。また、星の年齢と誕生半径の推定が可能となり、銀河の考古学的・化学的進化モデルの発展に貢献した。

ABSTRACT

Using data from the GALAH survey, we explore the dependence of elemental abundances on stellar age and metallicity among Galactic disc stars. We find that the abundance of most elements can be predicted from age and [Fe/H] with an intrinsic scatter of about 0.03 dex. We discuss the possible causes for the existence of the abundance-age-metallicity relations. Using a stochastic chemical enrichment scheme based on the size of Supernovae remnants, we show the intrinsic scatter is expected to be small, about 0.05 dex or even smaller if there is additional mixing in the ISM. Elemental abundances show trends with both age and metallicity and the relationship is well described by a simple model in which the dependence of abundance ([X/Fe]) on age and [Fe/H] are additively separable. Elements can be grouped based on the direction of their abundance gradient in the (age,[Fe/H]) plane and different groups can be roughly associated with three distinct nucleosynthetic production sites, the exploding massive stars, the exploding white dwarfs and the AGB stars. However, the abundances of some elements, like Co, La, and Li, show large scatter for a given age and metallicity, suggesting processes other than simple Galactic chemical evolution are at play. We also compare the abundance trends of main-sequence turn-off stars against that of giants, whose ages were estimated using asteroseismic information from the K2 mission. For most elements, the trends of main-sequence turn-off stars are similar to that of giants. The existence of abundance relations implies that we can estimate the age and birth radius of disc stars, which is important for studying the dynamic and chemical evolution of the Galaxy.

研究の動機と目的

• 高精度分光データを用いて、銀河平面における星の年齢と金属量に伴う元素フルエンスの依存関係を調査すること。
• 年齢と[Fe/H]からフルエンスパターンが最小限の固有散乱で予測可能かどうかを特定し、ISM内の混合が効率的であることを示唆すること。
• 観測されたフルエンス-年齢-金属量関係の物理的起源を解明し、とくに確率的化学増幅とISM混合の役割を調査すること。
• 主系列回転星（MSTO）と振動分光的に年齢が決定された巨星の間でフルエンス傾向を比較し、関係の普遍性を検証すること。
• 予測された傾向から外れる要素を特定し、追加の天体物理学的プロセスまたは系誤差の可能性を検討すること。

提案手法

• K2ミッションから得られた振動分光的年齢を有する約50,000個の主系列回転星と約4,000個の巨星の、GALAH調査の高分解能分光データを用いた。
• 星の大気モデルとラインごとのフルエンス解析を用いて、27元素（α-、s-、r-過程元素を含む）のフルエンスを導出した。
• 等時曲線フィッティングと振動分光法を用いて年齢を決定し、[Fe/H]を誕生半径と金属量の代理変数として用いた。
• 統計的モデリングを用いて、年齢と[Fe/H]の依存関係の加法的分離を仮定し、フルエンス関係の固有散乱を定量化した。
• 超新星残骸のサイズを用いた確率的化学増幅モデルを構築し、ISM混合が効率的であれば、小さな固有散乱（約0.05 dex）が予想されることを示した。
• 星のパラメータ（Teff、log g、SNR）および星の種別（矮星対巨星）による系統誤差を調査し、フルエンス関係の妥当性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 銀河平面の星における元素フルエンスは、年齢と[Fe/H]から低固有散乱で予測可能か？
• RQ2 年齢と金属量に伴うフルエンスの滑らかな依存関係を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 異なる銀河中心距離において、MSTO星と振動分光的に年齢が決定された巨星のフルエンス傾向にはどのような相違があるか？
• RQ4 どの元素が予測されたフルエンス-年齢-金属量関係から外れ、その原因として何が考えられるか？
• RQ5 星のパラメータ（Teff、log g、SNR）および星の種別（矮星対巨星）は、フルエンス関係の信頼性にどの程度影響を及えるか？

主な発見

• 銀河平面の星におけるほとんどの元素のフルエンスは、年齢と[Fe/H]から予測可能であり、矮星では固有散乱が約0.033 dex、巨星では0.046 dexであった。
• フルエンス傾向は、[X/Fe]が年齢と[Fe/H]に加法的に分離可能なモデルでよく記述されており、一貫した化学的進化プロセスを示している。
• 元素は(年齢, [Fe/H])平面上でのフルエンス勾配の方向に応じてグループ化可能であり、核融合生成源と明確に相関している：大質量星（α過程）、白色矮星（Fe族）、AGB星（s過程）。
• 確率的化学増幅モデルでは、ある年齢と[Fe/H]におけるフルエンスの小さな固有散乱（約0.05 dex）が予想され、さらにISM混合が加われば散乱はさらに小さくなる。
• Li、Co、Zr、La、V（矮星）、Ba、Y、K、V（巨星）は、ある年齢と金属量に対して大きな散乱を示しており、化学的進化以外のプロセスまたは系統誤差の可能性を示唆している。
• MSTO星と振動分光的巨星のフルエンス傾向は、太陽の半径を越える領域を含め、銀河平面全体で一貫しており、関係は多くの平面星に広く適用可能であることが示された。