[论文解读] Galactic chemical evolution in hierarchical formation models - II. The Intracluster Medium

Matías Arrigoni, S. C. Trager+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2010

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 3

一句话总结

本文将半解析星系形成模型扩展至层次结构形成框架中，用于预测星系团内介质（ICM）的金属丰度及元素比例。通过引入金属直接注入至高温ICM（即'热富集'）并提高Ia型超新星（SN Ia）的爆发率，该模型成功再现了观测到的ICM铁丰度及元素比例，解决了先前模型中的关键缺陷。

ABSTRACT

We use the cosmological semi-analytic model (SAM) for galaxy formation presented in Paper I to study the metallicities and abundance ratios of the intracluster medium (ICM) within the hierarchical structure formation paradigm. By requiring a slightly flat IMF (x=1.15) and a two-population delay-time-distribution (DTD) for SN Ia explosions we found previously that this model is able to reproduce the abundance ratios and supernova rates of early-type galaxies in the local Universe. Predictions for elemental abundances in the ICM pose a further test of the model. We find that with the fiducial model from Paper I the overall metal content of the ICM is too low, although the abundance ratios are in good agreement with the data. However, we find that allowing a fraction of the metal-enriched material ejected by stars to be deposited directly into the hot ICM, instead of being deposited into the cold ISM, appears to be a plausible and physically-motivated solution.

研究动机与目标

• 测试Paper I中的半解析模型（SAM）是否能再现星系团中观测到的星系团内介质（ICM）金属丰度及元素比例。
• 解决层次星系形成模型中ICM铁丰度持续被低估的问题。
• 探究是否可通过将富含金属的恒星喷出物直接沉积至高温ICM（绕过冷中性ISM）来缓解这一差异。
• 评估改进后模型与观测到的星系丰度比例及超新星爆发率的一致性。
• 评估新物理机制对星系团晕中全局重子物质预算或恒星形成效率的影响。

提出的方法

• 改编Paper I中的半解析模型（SAM），该模型已通过采用略微平坦的初始质量函数（x=1.15）和Ia型超新星的双峰延迟时间分布（DTD）成功再现本地星系的丰度比例。
• 通过允许80%的金属富集恒星喷出物直接沉积至高温ICM而非冷ISM，引入'热富集'机制。
• 调整双星分数参数A以提高Ia型超新星爆发率，测试A=0.03（基准值）和A=0.04两种情形，以增强铁的产量。
• 采用更新的Ia型超新星产物（Iwamoto et al. 1999, WDD3），以减少先前产物中过量的镍生成。
• 将模型对ICM金属丰度、[α/Fe]及Ia型超新星爆发率的预测结果与邻近星系团的X射线观测数据进行对比。
• 通过将模型预测的[α/Fe]及Ia型超新星爆发率与本地星系数据对比，验证其对星系性质的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Paper I中的层次星系形成模型能否再现观测到的星系团内介质（ICM）金属丰度及元素比例？
• RQ2 为何基准模型中ICM铁丰度系统性偏低？何种物理机制可解决此问题？
• RQ3 是否通过将金属直接注入高温ICM（即热富集）可改善与ICM观测的一致性？
• RQ4 提高Ia型超新星爆发率如何影响模型与ICM及星系观测的一致性？
• RQ5 引入热富集是否改变星系团晕中全局重子物质预算或恒星形成效率？

主要发现

• 尽管基准模型成功再现了星系丰度比例，但其对ICM铁丰度的预测仍显著偏低。
• 引入'热富集'机制——即80%的金属富集喷出物直接沉积至高温ICM——显著提升了与观测到的ICM金属丰度的一致性。
• 为匹配观测到的ICM铁含量，需提高Ia型超新星爆发率（A=0.04而非A=0.03），且该值与特定恒星形成率下Ia型超新星爆发率的观测结果保持一致。
• 该模型成功再现了ICM元素比例随星系团温度变化的平坦趋势，与观测数据高度吻合。
• 对于部分元素（O、Si、Ca、Ni），元素比例的零点值被极为精确地再现；其他元素（Ar、S）结果尚可接受，而Ne和Mg则被系统性低估。
• 通过提高Ia型超新星中Mg的产出量（如标准WW95产出模型中所做），可校正[Mg/Fe]比例，表明产出量的不确定性可能是其他元素差异的潜在原因。