[论文解读] Formation and Evolution of the Dust in Galaxies. III. The Disk of the Milky Way

L. Piovan, C. Chiosi+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2011

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究将银河系旋臂介质的化学演化模型扩展至包含尘埃形成与演化，覆盖整个银河系盘面，整合了超新星、AGB恒星及星际尘埃吸积的贡献。该模型成功再现了气体与尘埃的径向丰度梯度，表明在长期演化中，星际介质中的尘埃增长主导了恒星来源，且橄榄石与碳质尘埃的比例随银心半径和时间系统性变化。

ABSTRACT

Models of chemical evolution of galaxies including the dust are nowadays required to decipher the high-z universe. In a series of three papers we have tackled the problem and set a modern chemical evolution model. In the first paper (Piovan et al., 2011a) we revised the condensation coefficients for the elements that typically are present in the dust. In the second paper (Piovan et al., 2011b) we have implemented the dust into the Padova chemical model and tested it against the observational data for the Solar Neighbourhood. In this paper we extend it to the whole Disk of the Milky Way (MW). The Disk is used as a laboratory to analyze the spatial and temporal behaviour of (i) several dust grain families with the aid of which we can describe the ISM, (ii) the abundances in the gas, dust, and total ISM of the elements present in the dust and (iii) the depletion of the same elements. The temporal evolution of the dust and gas across the Disk is calculated under the effect of radial flows and a central Bar. The gradients of the abundances of C, N, O, Mg, Si, S, Ca and Fe in gas and dust across the Disk are derived as a function of time. The theoretical gradients nicely reproduce those derived from Cepheids, OB stars, Red Giants and HII regions. This provides the backbone for the companion processes of dust formation and evolution across the Disk. We examine in detail the contributions to dust by AGB stars, SNae and grain accretion in the ISM at different galacto-centric distances. Furthermore, we examine the variation of the ratio silicates/carbonaceous grains with time and position in the Disk. Finally, some hints about the depletion of the elements in regions of high and low SFR (inner and outer Disk) are presented. The results obtained make it possible to extend the model to other astrophysical situations or different theoretical models like the chemo-dynamical N-Body simulations.

研究动机与目标

• 将包含尘埃的化学演化模型扩展至整个银河系盘面，超越太阳邻域范围。
• 研究尘埃颗粒族（橄榄石、碳质、铁）在盘面中的空间与时间演化。
• 利用来自仙王座Cepheids、OB星、红巨星及HII区的观测数据，再现气体与尘埃丰度的径向梯度。
• 分析不同银心半径处，超新星、AGB恒星与星际尘埃吸积对总尘埃预算的相对贡献。
• 考察尘埃元素耗竭如何随内盘与外盘区域的恒星形成率与金属丰度变化而变化。

提出的方法

• 在包含吸积与径向流的帕多瓦化学演化模型基础上，引入尘埃演化，采用关键元素（C、N、O、Mg、Si、S、Ca、Fe）的修正凝结系数。
• 追踪Ia型与核心塌缩型超新星（SNe）、AGB恒星以及星际介质中通过吸积增长的尘埃随时间的生成。
• 引入径向流与中心棒结构，模拟盘面的动力学演化，影响金属丰度与尘埃分布。
• 通过求解元素与尘埃质量随时间演化的耦合微分方程，计算气体相与尘埃相的丰度径向梯度。
• 利用来自仙王座Cepheids、OB星、红巨星及HII区的观测数据，约束并验证模型输出。
• 模拟盘面中橄榄石与碳质尘埃比例的演化，将其与金属丰度及恒星形成历史关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系盘面中，模型与观测在C、N、O、Mg、Si、S、Ca与Fe的气体与尘埃丰度径向梯度方面表现如何？
• RQ2 在不同银心半径与时相，超新星、AGB恒星与星际尘埃吸积对总尘埃质量的相对贡献为何？
• RQ3 橄榄石与碳质尘埃的比例如何随时间与盘面位置演化，其演化驱动力是什么？
• RQ4 尘埃耗竭在盘面中如何变化，特别是在高与低恒星形成率及金属丰度区域？
• RQ5 该模型能否使用一致的尘埃形成与演化物理机制，再现不同恒星与电离区（如仙王座Cepheids、HII区、红巨星）中观测到的丰度梯度？

主要发现

• 该模型使用与太阳邻域一致的参数，成功再现了银河系盘面中C、N、O、Mg、Si、S、Ca与Fe的气体与尘埃丰度径向梯度。
• 在早期银河系中，超新星主导尘埃生成，尤其在内区；而随时间推移，星际介质吸积成为主要来源，尤其在内盘区域。
• AGB恒星在低金属丰度外区显著贡献碳质尘埃，而在高金属丰度内区则转为生成氧-rich尘埃。
• 尘埃质量的径向分布与气体分布一致，内区峰值明显，向外呈负斜率，由中心区域更高的金属丰度与恒星形成率驱动。
• 由于低金属丰度AGB恒星的长期注入及外盘星际介质吸积的延迟启动，碳质尘埃比例随向外而增加。
• 内盘因密度与恒星形成率更高，尘埃耗竭更强，而外区耗竭效率较低，与观测趋势一致。