[论文解读] Chemical evolution of the Milky Way and its Satellites

F. Matteuccí|ArXiv.org|Apr 9, 2008

Astro and Planetary Science参考文献 6被引用 6

一句话总结

本文提出了一套全面的银河系及其卫星星系的化学演化模型，整合了恒星形成历史、初始质量函数、恒星产出和气体流动，以模拟金属度演化。该模型预测了不同星系类型中的关键丰度比（如[O/Fe]），并估算宇宙中Ia型超新星的速率，当使用前身星的延迟时间分布时，与观测结果高度一致，从而约束了星系化学演化和宇宙金属度预算。

ABSTRACT

This paper contains the lectures I delivered during the 37th Saas-Fee Advanced Course in March 2007. It reviews all the main ingredients necessary to build galactic chemical evolution models with particular attention to the Milky Way and the dwarf spheroidals of the Local Group. Both analytical and numerical models are discussed. Model results are compared to observations in order to infer constraints on stellar nucleosynthesis and on the formation and evolution of galaxies.Particular attention is devoted to interpret abundance ratios in galaxies with different star formation histories. Finally, the cosmic chemical evolution is discussed

研究动机与目标

• 开发一个自洽的银河系及其卫星星系的化学演化模型，整合恒星形成、恒星产出和气体流动等关键物理要素。
• 研究金属度及丰度比（如[O/Fe]）在不同星系类型（椭圆星系、旋涡星系）中随宇宙时标的演化规律。
• 通过考虑所有星系类型的金属喷射，估算宇宙总金属度和星系际介质的金属度。
• 通过将预测的宇宙超新星Ia速率与观测数据对比，约束Ia型超新星前身星模型。
• 评估初始质量函数（星团型与星系型）变化对星系化学富集历史的影响。

提出的方法

• 模型采用一组耦合的微分方程，描述气体质量及其化学丰度随时间的演化，包含初始条件、恒星形成率（SFR）和初始质量函数（IMF）。
• 恒星形成率采用Schmidt定律（ψ ∝ σ_gas^k，k ≈ 1.4）建模，并引入依赖于总面密度和旋转速度的替代形式。
• 初始质量函数以多段斜率函数参数化（如Kroupa 2001），分别针对低质量和大质量恒星设定不同斜率，星系初始质量函数通过积分星团质量函数获得。
• 恒星产出基于核合成模型引入，金属在恒星中生成并通过超新星爆发和恒星风返回星系际介质。
• 通过汇总所有星系的金属喷射，结合WMAP的宇宙学重子密度参数，计算星系际介质（IGM）中的金属度。
• 每单位蓝光亮度（SNu）和每单位星系质量（SNuM）的宇宙Ia型超新星速率被计算，并与Mannucci等人（2006）的观测数据对比，采用不同的延迟时间分布（DTDs）进行分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同星系类型（如椭圆星系和旋涡星系）中，化学丰度模式（尤其是[O/Fe]）如何演化？
• RQ2 基于星系的金属喷射，星系际介质（IGM）和宇宙总金属度的预测值是多少？
• RQ3 哪种Ia型超新星前身星模型（即延迟时间分布）最能再现观测到的宇宙超新星速率？
• RQ4 初始质量函数的选择（尤其是星系初始质量函数）如何影响星系的化学富集历史？
• RQ5 不同的恒星形成历史和气体流动在多大程度上影响银河系及其卫星星系的预测丰度演化？

主要发现

• 模型预测椭圆星系中恒星的[O/Fe]比值为0.4 dex，气体中为-0.33 dex；旋涡星系中恒星为0.1 dex，气体中为0.01 dex，与观测趋势一致。
• 基于星系金属喷射和宇宙学重子密度参数，星系际介质（IGM）的平均金属度估计为6.54×10⁻⁴，即太阳金属度的0.03倍。
• 宇宙总平均金属度计算为0.0017，即太阳金属度的0.09倍，表明大部分金属被锁定在星系中，而非IGM中。
• 当采用Mannucci等人（2006）的延迟时间分布时，理论宇宙Ia型超新星速率与观测数据高度吻合，尤其在低红移区域。
• 模型表明，星系初始质量函数（在大质量恒星范围内比通用初始质量函数更陡）必须被采用，才能正确再现星系的化学富集过程。
• 两种测试的DTD模型在预测与观测超新星速率的匹配上均表现良好，尽管最高红移点仍存在高度不确定性，凸显了未来需要更多高红移Ia型超新星探测的必要性。