[论文解读] Abundance gradients and their evolution in the Milky Way disk

J. L. Hou, Nikos Prantzos+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2000

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究利用银河系盘的化学演化模型，重现了12种元素（He至Zn）的观测丰度梯度，表明大质量恒星产物——尤其是M92产物——可解释碳的产生而无需中等质量恒星，而氮的产生则需要额外的来源（如中等质量恒星）。该模型预测，由于‘由内而外’的形成情景，丰度梯度随时间逐渐变平，且内盘的丰度离散度低于外盘区域。

ABSTRACT

Based on a simple, but fairly successful, model of the chemical evolution of the Milky Way disk, we study the evolution of the abundances of the elements He, C, N, O, Ne, Mg, Al, Si, S, Ar and Fe. We use metallicity dependent yields for massive stars with and without mass loss. We find that most observed abundance profiles are correctly reproduced by massive star yields, but C and N require supplementary sources. We argue that massive, mass losing stars can totally account for the abundance profile of C, while intermediate mass stars are the main source of N; in both cases, some conflict with corresponding data on extragalactic HII regions arises, at least if current observations in the Galaxy are taken at face value. The observed behaviour of Al is marginally compatible with current massive star yields, which probably overestimate the ``odd-even'' effect. We also find that the adopted ``inside-out'' formation scheme for the Milky Way disk produce abundance profiles steeper in the past. The corresponding abundance scatter is smaller in the inner disk than in the outer regions for a given interval of Galactic age.

研究动机与目标

• 测试当前大质量恒星产物是否能重现银河系盘中多种元素的观测丰度梯度。
• 研究中等质量恒星在氮产生中的作用，鉴于其与河外HII区趋势的不一致。
• 研究丰度梯度随时间的演化，特别是其在过去是否更陡峭。
• 评估‘由内而外’形成情景对丰度离散度和梯度陡度的影响。
• 评估当前产物与观测丰度比（如C/O、N/O）的兼容性，并解决与河外数据的矛盾。

提出的方法

• 本研究采用化学演化模型（BP99），通过径向变化的吸积和恒星形成 timescales 模拟135亿年内的盘演化。
• 模型整合了大质量恒星在有无质量损失情况下的金属度依赖产物（具体为M92和WW95产物），涵盖从He到Zn的元素。
• 模型假设‘由内而外’的形成方案，即恒星形成从内盘开始，并随时间向外推进。
• 丰度梯度通过 dlog(X/H)/dR 计算，将理论曲线与来自HII区、B型星和行星状星云的观测数据进行比较。
• 模型将丰度比（如C/O、N/O、Ne/O）作为银盘半径的函数进行评估，以检验核合成起源的预测。
• 在不同银盘半径范围内分析丰度离散度，以检验模型关于内盘丰度离散度更低（由于年龄弥散）的预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前大质量恒星产物能否重现银河系盘中氧、碳、氮、氖、镁、铝、硅、硫、氩和铁的观测丰度梯度？
• RQ2 为何观测到的碳和氮丰度分布需要超出大质量恒星的额外核合成来源？
• RQ3 河外HII区中观测到的C/O和N/O随金属度增加的趋势是否与银河系数据一致？
• RQ4 银河系盘的丰度梯度是否随时间变平？‘由内而外’形成模型能否解释这一演化？
• RQ5 行星状星云中观测到的丰度离散度是否支持模型关于内盘离散度更低的预测？

主要发现

• 模型重现了观测到的氧丰度梯度 dlog(O/H)/dR ≈ -0.06 dex kpc⁻¹，与年轻天体的观测一致。
• 大质量恒星产物（M92）可完全解释整个盘中碳的产生，无需将中等质量恒星视为主要来源。
• 氮的产生需要额外来源，最可能的是中等质量恒星，因为观测到的与预测的N/O梯度存在不一致。
• 模型预测，由于‘由内而外’的形成情景，丰度梯度随时间持续变平，过去梯度更陡峭。
• 对于给定的时间区间，模型预测内盘的丰度离散度小于外盘区域，该预测可通过行星状星云数据检验。
• 模型表明铝的丰度与当前大质量恒星产物基本兼容，尽管这些产物可能高估了核合成中的‘奇偶效应’。