[论文解读] Galactic Chemical Evolution Models Favor an Extended Type Ia Supernova Delay-Time Distribution

Liam O. Dubay, Jennifer A. Johnson+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2024

Gamma-ray bursts and supernovae被引用 4

一句话总结

本研究利用包含径向恒星迁移的多区室星系化学演化模型，检验了Ia型超新星（SNe Ia）的延迟时间分布（DTD）。通过与APOGEE数据对比，发现具有更少早期SNe Ia的扩展型DTD更符合银河系中观测到的[α/Fe]分布，支持DTD的幂律指数比基准的t⁻¹更平坦。

ABSTRACT

Type Ia supernovae (SNe Ia) produce most of the Fe-peak elements in the Universe and therefore are a crucial ingredient in galactic chemical evolution models. SNe Ia do not explode immediately after star formation, and the delay-time distribution (DTD) has not been definitively determined by supernova surveys or theoretical models. Because the DTD also affects the relationship among age, [Fe/H], and [$α$/Fe] in chemical evolution models, comparison with observations of stars in the Milky Way is an important consistency check for any proposed DTD. We implement several popular forms of the DTD in combination with multiple star formation histories for the Milky Way in multi-zone chemical evolution models which include radial stellar migration. We compare our predicted interstellar medium abundance tracks, stellar abundance distributions, and stellar age distributions to the final data release of the Apache Point Observatory Galactic Evolution Experiment (APOGEE). We find that the DTD has the largest effect on the [$α$/Fe] distribution: a DTD with more prompt SNe Ia produces a stellar abundance distribution that is skewed toward a lower [$α$/Fe] ratio. While the DTD alone cannot explain the observed bimodality in the [$α$/Fe] distribution, in combination with an appropriate star formation history it affects the goodness of fit between the predicted and observed high-$α$ sequence. Our model results favor an extended DTD with fewer prompt SNe Ia than the fiducial $t^{-1}$ power law.

研究动机与目标

• 确定哪种Ia型超新星的延迟时间分布（DTD）最能再现银河系中观测到的恒星丰度模式。
• 评估径向恒星迁移对基于流体动力学模拟类比的化学演化模型预测的影响。
• 评估DTD与现实的恒星形成历史相结合时，是否能解释APOGEE数据中观测到的双峰[α/Fe]分布。
• 将多种DTD形式与观测到的星际介质丰度轨迹及恒星年龄分布进行对比检验。

提出的方法

• 在VICE框架的多区室化学演化模型中实现多种DTD形式（包括t⁻¹、指数型及扩展幂律型）。
• 利用来自h277流体动力学模拟的高斯采样方案引入径向恒星迁移，其中σ_R_M随τ^0.33 × R_form^0.61变化。
• 使用APOGEE DR17数据作为[α/Fe]、[Fe/H]及恒星年龄分布的观测约束。
• 对h277模拟中垂直相空间分布拟合sech²函数，以建模尺度高度随年龄和半径的变化。
• 通过形成半径、年龄和迁移参数将h277的恒星粒子映射到VICE的恒星群体，以保持真实丰度趋势。
• 使用统计拟合优度指标将模型预测的丰度轨迹和分布与APOGEE观测数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ia型超新星的延迟时间分布（DTD）是否显著影响银河系中预测的[α/Fe]分布？
• RQ2 是否具有更少早期SNe Ia的扩展型DTD能更优地再现APOGEE数据中观测到的双峰[α/Fe]分布？
• RQ3 通过流体动力学模拟建模的径向恒星迁移如何影响化学演化模型中预测的丰度分布？
• RQ4 DTD本身，或与恒星形成历史结合，能在多大程度上解释银河系盘面中观测到的[α/Fe]趋势？

主要发现

• DTD对[α/Fe]分布的影响最大，更多早期SNe Ia会导致恒星群体中[α/Fe]中位数比值降低。
• 具有更少早期SNe Ia的扩展型DTD在拟合观测到的[α/Fe]分布中高α序列方面，显著优于基准的t⁻¹ DTD。
• 模型结果支持DTD比t⁻¹幂律更平坦，表明更大比例的SNe Ia具有更长的延迟时间。
• 通过时间与半径相关的高斯弥散（σ_R_M ∝ τ^0.33 × R_form^0.61）建模的径向迁移，可减少丰度分布中的人工团块，提升模型真实性。
• 包含真实迁移与恒星形成历史对准确再现观测到的[α/Fe]分布至关重要，因为仅靠DTD无法解释双峰性。
• 恒星群体的尺度高度（h_z）随年龄和半径演化，遵循h_z ∝ exp(τ/τ_s + R_final/R_s)，从而改善垂直丰度分布的建模。