[논문 리뷰] Tracing Pop III supernovae with extreme energies through the Sculptor dwarf spheroidal galaxy

Á. Skúladóttir, Irene Vanni외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 04.

Stellar, planetary, and galactic studies참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 초저금속성 별의 고해상도 VLT/UVES 분광측정을 통해 스퓌류토르 소형구형은하에서 Population III 초신성의 화학적 서명을 추적한다. [Fe/H] = -3에서 CEMP-no 별을 확인하고, 낮은 에너지(에너지_초신성 < 1×10⁵¹ erg) 및 초신성(에너지_초신성 = 10×10⁵¹ erg) 폭발의 증거를 발견하여 이중 enrichment 역사를 확인하고, 초신성의 에너지 분포를 이해하는 데 있어 스퓌류토르를 핵심 기준점으로 설정한다.

ABSTRACT

The Sculptor dwarf spheroidal galaxy is old and metal-poor, making it ideal to study the earliest chemical enrichment in the Local Group. We followed up the most metal-poor star known in this (or any external) galaxy, AS0039, with high-resolution ESO VLT/UVES spectra. Our new analysis confirmed its low metallicity, [Fe/H]=-3.90, and that it is extremely C-poor, with A(C)=+3.60, which corresponds to [C/Fe]=-0.33 (accounting for internal mixing). This adds to the evidence of Sculptor being intrinsically C-poor at low [Fe/H]. However, here we also report a new discovery of a carbon-enhanced metal-poor star in Sculptor, DR20080, with no enhancement of Ba (CEMP-no), indicative of enrichment by zero-metallicity low-energy supernovae. This is the first evidence of a dual population of CEMP-no and C-normal stars in Sculptor at $ m[Fe/H]\leq{-3}$. The fraction of CEMP-no stars is still low, $9^{+11}_{-8}\%$ at $ m -4\leq[Fe/H]\leq-3$, compared to the significantly higher fraction in the Milky Way halo, $\approx40\%$. In addition, we re-derive chemical abundances of light, $α$-, iron peak, and neutron-capture elements in all Sculptor stars at $ m [Fe/H]\leq-2.8$, with available high-resolution spectra. Our results show that at these low [Fe/H], Sculptor is deficient in light elements (e.g. C, Na, Al, Mg) relative to both the Milky Way halo, and ultra-faint dwarf galaxies, pointing towards significant contribution of high-energy supernovae. Furthermore, the abundance pattern of the star AS0039 is best fitted with a zero-metallicity hypernova progenitor, with a mass of $M=20$M$_\odot$. Our results in Sculptor, at $ m[Fe/H]\leq-3$, therefore suggest significant enrichment by both very low-energy supernovae and hypernovae, solidifying this galaxy as one of the benchmarks for understanding the energy distribution of the first supernova in the Universe.

연구 동기 및 목표

• 초저금속성에서 스퓌류토르 소형구형은하의 초기 화학적 enrichment 역사를 조사하기 위해.
• 스퓨류토르의 별 농도를 분석하여 Population III 초신성의 폭발 에너지 분포를 규명하기 위해.
• 스퓨류토르의 농도 패턴이 밀레니엄 은하의 허리케인과 초저광도 소형은하와 다름을 테스트하기 위해.
• 스퓨류토르에서 [Fe/H] ≤ -3에서 첫 번째 CEMP-no 별을 식별하고 특성화하여 낮은 에너지 Pop III 초신성의 직접적 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• ESO VLT/UVES를 사용한 고해상도 분광측정을 통해 스퓌류토르의 11개의 저금속성 별에서 원소 농도를 측정하였으며, 두 개의 새로운 관측 별을 포함하였다.
• 가장 저금속성인 별 AS0039에 대해 국소 열역학적 평형이 아닌(NLTE) 분석을 적용하여 원자선 혼합 및 국소 열역학적 평형 외부 효과를 보정하였다.
• 다양한 폭발 에너지(E_SN)와 원형질질량을 가진 0금속 초신성의 이론 모델과 농도 패턴을 비교하였다.
• [Fe/H] 범위 -4 ≤ [Fe/H] ≤ -3에서 CEMP-no 별의 비율을 계산하여 낮은 에너지 SNe에 의한 enrichment를 평가하였다.
• 빛, α-, 철계, 중성자 포획 원소의 농도를 [Fe/H] ≤ -2.8인 모든 별에 대해 재측정하여 전체 화학적 경향을 평가하였다.
• 관측된 [X/Fe] 패턴을 적합하기 위해 매개변수 모델을 사용하였으며, 특히 AS0039의 경우 가장 가능성이 높은 원형질질량과 에너지를 추론하였다.

Figure 1: Position on the sky ( left ) and location on the RGB ( right ) for our Sculptor stellar sample, based on Gaia DR3 (Table 2 ). Star symbols with labels are stars with new spectra, for the first time analysed here; while large blue circles are stars with available literature spectra, reanaly

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스퓨류토르 소형구형은하의 초기 화학적 enrichmet에 대해 낮은 에너지와 높은 에너지 초신성의 기여 비율은 어떻게 되는가?
• RQ2 스퓨류토르의 CEMP-no 별 비율은 [Fe/H] ≤ -3에서 밀레니엄 은하의 허리케인과 초저광도 소형은하와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ3 스퓨류토르에서 가장 저금속성인 별인 AS0039의 농도 패턴을 바탕으로 그 폭발 에너지와 원형질질량은 무엇인가?
• RQ4 왜 스퓌류토르는 [Fe/H] ≤ -2.8에서 밀레니엄 은하와 UFDs에 비해 경량 원소(C, Na, Al, Mg) 농도가 부족한가?
• RQ5 AS0039의 농도 패턴은 초신성인지 낮은 에너지 초신성인지에 의해 가장 잘 설명되는가?

주요 결과

• 스퓨류토르에서 가장 저금속성인 별인 AS0039는 [Fe/H]_LTE = -3.90 ± 0.15이며, A(C) = +3.60으로, 이는 [C/Fe]_LTE = -0.33 ± 0.17에 해당하여 극도로 탄소가 부족한 별로 확인되었다.
• 새로운 CEMP-no 별인 DR20080이 [Fe/H] = -3에서 발견되었으며 바륨 농도 증가가 없어, 에너지_초신성 < 1×10⁵¹ erg인 0금속 초신성에 의한 enrichmet을 시사한다.
• 스퓨류토르에서 -4 ≤ [Fe/H] ≤ -3 범위의 CEMP-no 별 비율 f_Scl^CEMP는 9⁺¹¹₋₈%이며, 밀레니엄 은하 허리케인의 40%보다 유의미하게 낮다.
• AS0039의 농도 패턴은 에너지_초신성 = 10×10⁵¹ erg, 원형질질량 20 M⊙인 0금속 초신성 모델에 가장 잘 맞는다.
• 스퓨류토르는 밀레니엄 은하와 초저광도 소형은하에 비해 경량 원소(C, Na, Al, Mg) 농도가 낮으며, 이는 고에너지 초신성(E_SN > 2×10⁵¹ erg)에 의한 enrichmet과 일치한다.
• 결과적으로 스퓌류토르는 낮은 에너지 및 초신성 enrichmet을 모두 수반하고 있음을 확인하여, 우주의 첫 번째 초신성의 전체 에너지 분포를 이해하는 데 있어 핵심 기준점이 되었다.

Figure 2: X-Shooter spectra for the CEMP-no star in our sample, DR20080 (red), at $\rm[Fe/H]=-3$ . For a fair comparison the X-Shooter spectra of PJ07402 at the same $\rm[Fe/H]=-3$ , is also shown in blue (Starkenburg et al., 2013 ) . However, for the full chemical abundance analysis of PJ07402, her