[论文解读] Galactic chemical enrichment with new metallicity dependent yields

L. Portinari, C. Chiosi+1 more|ArXiv.org|Nov 27, 1997

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 27

一句话总结

本论文提出了一套针对大质量恒星（6–120 M⊙）的新型、统一的金属丰度依赖性恒星产物网格，覆盖五种金属丰度（Z = 0.0004 至 0.05），其基于包含对流过冲和宁静质量损失的帕多瓦演化轨道推导得出。该研究将这些产物整合入太阳邻近区的化学演化模型，通过考虑初始组成对核合成及质量损失的影响，显著提升了模型与观测丰度分布的一致性。

ABSTRACT

New detailed stellar yields of several elemental species are derived for massive stars in a wide range of masses (from 6 to 120 Msol) and metallicities (Z= 0.0004, 0.004, 0.008, 0.02, 0.05). Our calculations are based on the Padova evolutionary tracks and take into account recent results on stellar evolution, such as overshooting and quiescent mass-loss, paying major attention to the effects of the initial chemical composition of the star. We finally include modern results on explosive nucleosynthesis in SNae by Woosley & Weaver 1995. The issue of the chemical yields of Very Massive Objects (from 120 to 1000 Msol) is also addressed. Our grid of stellar yields for massive stars is complementary to the results by Marigo et al. (1996, 1997) on the evolution and nucleosynthesis of low and intermediate mass stars, also based on the Padova evolutionary tracks. Altogether, they represent a complete set of stellar yields of unprecedented homogeneity and self-consistency. Our new stellar yields are inserted in a code for the chemical evolution of the Galactic disc with infall of primordial gas, according to the formulation first suggested by Talbot & Arnett (1971, 1973, 1975) and Chiosi (1980). As a first application, the code is used to develop a model of the chemical evolution of the Solar Vicinity, with a detailed comparison to the available observational constraints.

研究动机与目标

• 开发一套自洽的、统一的金属丰度依赖性大质量恒星产物网格，以解决以往模型中缺乏金属丰度依赖性产物的问题。
• 在产物计算中整合对流过冲、宁静质量损失以及现代超新星核合成（Woosley & Weaver 1995）的影响。
• 将产物网格扩展至极超大质量恒星（120–1000 M⊙），以满足需要极端初始质量的天体物理应用需求。
• 利用自洽的产物集合，将化学演化模型校准并测试于太阳邻近区的观测约束条件。
• 实施Qij矩阵形式，将元素产物与初始组成关联，实现基于不断演化的星际介质组成的还原分数的动态调整。

提出的方法

• 使用帕多瓦演化轨道（Bressan et al. 1993; Fagotto et al. 1994）计算从6至120 M⊙的恒星在五种金属丰度（Z = 0.0004, 0.004, 0.008, 0.02, 0.05）下的产物。
• 在产物计算中从零龄主序（ZAMS）起纳入对流过冲和宁静质量损失的影响。
• 在爆发阶段应用来自Woosley & Weaver（1995）的现代超新星核合成产物。
• 利用Qij矩阵形式推导喷射物分数，该形式将每种元素的产物与其核合成来源和初始组成关联。
• 基于Talbot & Arnett（1971）的公式构建银河系盘的化学演化模型，引入物质吸积，并采用更新的恒星产物。
• 求解作为恒星形成时间函数的还原分数R_Mi(t−τ_M)，结合Z依赖的Qij矩阵和随时间演化的初始丰度X_j(t−τ_M)。

实验结果

研究问题

• RQ1 金属丰度和初始组成在多大程度上影响大质量恒星的产物，特别是C、N、O、Ne、Mg、Si、S和Fe的产物？
• RQ2 对流过冲和宁静质量损失对大质量恒星最终喷射物中元素丰度有何影响？
• RQ3 极超大质量恒星（120–1000 M⊙）的产物在早期银河系化学富集中起到何种作用？
• RQ4 金属丰度依赖性产物网格在多大程度上提升了化学演化模型与太阳邻近区观测丰度数据的一致性？
• RQ5 Qij矩阵形式能否有效将初始组成的影响传递至化学演化模型，从而实现自洽的产物缩放？

主要发现

• 新产物网格表明，金属丰度显著影响C、N、O和Fe的喷射质量分数，尤其在Z ≥ 0.008的大质量恒星中更为明显。
• 引入宁静质量损失会降低大质量恒星的最终质量，并改变其喷射物的组成，特别是C和N同位素的分布。
• 超新星产物对超新星前结构敏感，而该结构取决于金属丰度和质量损失，导致Si、S和铁族元素喷射量出现差异。
• 该模型比仅使用太阳组成产物的模型更准确地再现了太阳邻近区观测到的丰度比（如[O/Fe]、[C/Fe]、[N/O]）。
• Qij矩阵形式能够基于不断演化的星际介质组成实现产物的动态缩放，显著提升了模型与观测丰度趋势的一致性。
• 包含极超大质量恒星产物（最高达1000 M⊙）为金属贫乏系统中重元素的早期富集提供了合理机制，尽管其贡献仍存在不确定性。