[论文解读] CHEMICAL ABUNDANCES IN CLUSTERS OF GALAXIES

F. Matteuccí, B. K. Gibson|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 1995

Stellar, planetary, and galactic studies被引用 3

一句话总结

本文利用包含超新星驱动星系风的详细星系演化模型，研究了星系团内介质（ICM）中铁和α-元素（O、Mg、Si）的起源。结果表明，初始质量函数（IMF）对[O/Fe]和Fe质量-光度比具有决定性影响，较平坦的IMF（x ≈ 1）能更好地匹配ASCA数据，显示约70%的ICM铁来自II型超新星，30%来自Ia型超新星。

ABSTRACT

We study the origin of iron and alpha-elements (O, Mg, Si) in clusters of galaxies. In particular, we discuss the [O/Fe] ratio and the iron mass-to-luminosity ratio in the intracluster medium (ICM) and their link to the chemical and dynamical evolution of elliptical and lenticular galaxies. We adopt a detailed model of galactic evolution incorporating the development of supernovae- driven galactic winds which pollute the ICM with enriched ejecta. We demonstrate \it quantitatively m the crucial dependence upon the assumed stellar initial mass function in determining the evolution of the mass and abundances ratios of heavy elements in typical model ICMs. We show that completely opposite behaviours of [alpha/Fe] ratios (\ie positive versus negative ratios) can be obtained by varying the initial mass function without altering the classic assumptions regarding type Ia supernovae progenitors or their nucleosynthesis. Our results indicate that models incorporating somewhat flatter-than-Salpeter initial mass functions (ie x approx 1, as opposed to x=1.35) are preferred, provided the intracluster medium iron mass-to-luminosity ratio, preliminary [alpha/Fe]>0 ASCA results, and present-day type Ia supernovae rates, are to be matched. A simple Virgo cluster simulation which adheres to these constraints shows that approx 70% of the measured ICM iron mass has its origin in type II supernovae, with the remainder being synthesized in type Ia systems.

研究动机与目标

• 理解星系团内介质（ICM）中铁和α-元素（O、Mg、Si）的起源。
• 研究初始质量函数（IMF）如何影响ICM中重元素丰度和质量-光度比的演化。
• 将观测到的[O/Fe]比值和铁质量-光度比与星系化学演化理论模型相协调。
• 确定II型和Ia型超新星对ICM铁预算的相对贡献。

提出的方法

• 采用包含超新星驱动星系风的详细星系化学演化模型，将富集物质喷射至ICM。
• 模型追踪了来自II型和Ia型超新星的α-元素和铁在不同恒星种群中的生成与喷射。
• 通过参数化方式改变初始质量函数（从Salpeter型x=1.35到更平坦的x≈1），评估其对ICM丰度比的影响。
• 将模型校准至观测约束条件：当前Ia型超新星爆发率、ASCA对[alpha/Fe] > 0的初步结果，以及ICM铁质量-光度比。
• 进行一个简单的室女座星系团模拟，以估算II型和Ia型超新星对ICM铁质量的相对贡献。
• 模型使用标准核合成产额，假设Ia型超新星前身星模型和产额不变，将IMF作为唯一关键变量。

实验结果

研究问题

• RQ1 初始质量函数的选择如何影响预测的ICM中[O/Fe]比值？
• RQ2 观测到的ICM铁质量中有多大比例可归因于II型与Ia型超新星？
• RQ3 是否存在一种单一的IMF形状，可在不改变Ia型超新星前身星假设的前提下，同时与观测到的ICM铁质量-光度比和[alpha/Fe]比值相一致？
• RQ4 为何一些模型预测[alpha/Fe]比值为正，而另一些模型预测为负，尽管核合成输入相似？
• RQ5 观测到的ICM成分对恒星初始质量函数形式施加了何种约束？

主要发现

• 初始质量函数对ICM丰度比的演化具有定量上的决定性影响，特别是[O/Fe]比值。
• 需要比Salpeter型更平坦的初始质量函数（x ≈ 1）才能重现ICM中观测到的[alpha/Fe] > 0和铁质量-光度比。
• 采用更平坦IMF的模型成功匹配了ASCA初步结果中ICM的[alpha/Fe] > 0。
• 在室女座星系团模拟中，约70%的ICM铁质量来自II型超新星，30%来自Ia型超新星。
• 同一IMF既能拟合丰度比，也能重现观测到的铁质量-光度比，表明在多个观测约束下具有一致性。
• 本研究表明，仅通过改变IMF，即使Ia型超新星假设和产额完全相同，也能产生[alpha/Fe]比值为正或负的相反趋势。