[论文解读] Chemical clocks and their time zones: understanding the [s/Mg]--age relation with birth radii

Bridget Ratcliffe, Ivan Minchev+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 20, 2023

Stellar, planetary, and galactic studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究揭示，银河系中 [s/Mg]–年龄 关系并非普适，而是强烈依赖于恒星的诞生半径（R_birth），其中内盘恒星的关联性最弱，这是由于s-过程和α-元素丰度的径向梯度随时间演化所致。通过利用 R_birth 分离径向迁移的影响，作者表明，类太阳恒星中 [s/Mg]–年龄 关系的紧密性源于其相似的诞生半径，并在银河系化学演化模型中约束了金属丰度依赖的AGB产物输出以及适度的径向迁移，成功再现了观测到的趋势。

ABSTRACT

The relative enrichment of s-process to $α$-elements ([s/$α$]) has been linked with age, providing a potentially useful avenue in exploring the Milky Way's chemical evolution. However, the age--[s/$α$] relationship is non-universal, with dependencies on metallicity and current location in the Galaxy. In this work, we examine these chemical clock tracers across birth radii ($ m ext{R}_ ext{birth}$), recovering the inherent trends between the variables. We derive $ m ext{R}_ ext{birth}$ and explore the [s/$α$]--age--$ m ext{R}_ ext{birth}$ relationship for 36,652 APOGEE DR17 red giant and 24,467 GALAH DR3 main sequence turnoff and subgiant branch disk stars using [Ce/Mg], [Ba/Mg], and [Y/Mg]. We discover that the age--[s/Mg] relation is strongly dependent on birth location in the Milky Way, with stars born in the inner disk having the weakest correlation. This is congruent with the Galaxy's initially weak, negative [s/Mg] radial gradient, which becomes positive and steep with time. We show that the non-universal relations of chemical clocks is caused by their fundamental trends with $ m ext{R}_ ext{birth}$ over time, and suggest that the tight age--[s/Mg] relation obtained with solar-like stars is due to similar $ m ext{R}_ ext{birth}$ for a given age. Our results are put into context with a Galactic chemical evolution model, where we demonstrate the need for data-driven nucleosynthetic yields.

研究动机与目标

• 为了理解为何 [s/Mg]–年龄 关系在银河系旋臂中各处有所不同，从而挑战化学时钟普适性的假设。
• 通过重建恒星诞生半径（R_birth），分离径向迁移对观测到的 [s/Mg]–年龄 关系的影响。
• 研究 [s/Mg] 径向梯度如何随时间演化，并影响年龄–丰度关联性。
• 利用数据驱动模型，约束AGB核合成产物的金属丰度依赖性及径向迁移强度。
• 证明类太阳恒星中 [s/Mg]–年龄 关系的紧密性是其相似 R_birth 的结果，而非普适的物理定律。

提出的方法

• 利用运动学和丰度数据，为 36,652 颗 APOGEE DR17 红巨星和 24,467 颗 GALAH DR3 主序星转折/亚巨星的 R_birth 进行推导。
• 使用 [Ce/Mg]、[Ba/Mg] 和 [Y/Mg] 作为s-过程增强的示踪剂，分析 [s/Mg]–年龄–R_birth 的关系。
• 通过按 R_birth 和回溯时间分箱，构建随时间演化的径向丰度梯度，揭示 [s/Mg] 梯度的演化过程。
• 使用包含标准核合成产物输出的银河系化学演化（GCE）模型模拟 [s/Mg] 的演化，随后调整产物输出并引入径向迁移以匹配观测结果。
• 应用平滑和移动平均技术，从 R_birth 和回溯时间中提取 [s/Mg] 的趋势，隔离出生位置的影响。
• 将模型结果与 APOGEE 和 GALAH 数据中的观测 [s/Mg] 趋势进行验证，通过调整产物金属丰度依赖性和迁移比例以优化拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系旋臂中不同诞生半径下的 [s/Mg]–年龄 关系如何变化？
• RQ2 为何内盘中 [s/Mg]–年龄 关联性弱于外盘？
• RQ3 径向迁移在多大程度上掩盖了恒星族中固有的年龄–丰度关系？
• RQ4 为重现与 R_birth 和时间相关的观测 [s/Mg] 趋势，核合成产物输出和迁移强度需作何修改？
• RQ5 为何类太阳恒星中 [s/Mg]–年龄 关系紧密，而在更广泛样本中却显得散乱？

主要发现

• 早期 [s/Mg] 径向梯度为弱负值，经历高α到低α过渡阶段时趋于平坦，现今逐渐变为正向梯度。
• 在内盘诞生的恒星表现出 [s/Mg] 与年龄之间最弱的关联性，这是由于初始负向径向梯度与强烈的径向迁移共同作用。
• 在银河系中，[s/Mg]–年龄 关系的散射主要源于同一年龄下 R_birth 的差异，而非年龄测定的内在不确定性。
• 当 R_birth 分散较小时——如类太阳恒星——[s/Mg]–年龄 关系变得紧密且可预测。
• 一个包含金属丰度依赖的 AGB 产物输出和适度径向迁移（约 AGB 产物的 10%）的简单 GCE 模型，能成功再现观测到的 [s/Mg] 趋势。
• 本研究证明，诞生半径是解读化学时钟的关键参数，而径向迁移从根本上塑造了观测到的 [s/Mg]–年龄 关系。