[论文解读] $\mathit{Chempy}$: A flexible chemical evolution model for abundance fitting - Do the Sun's abundances alone constrain chemical evolution models?

J. Rybizki, A. Just+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 98被引用 16

一句话总结

Chempy 是一个灵活的贝叶斯化学演化模型，通过参数化的单区框架拟合恒星丰度，实现对模型参数和核合成产额集合的完整后验抽样。它将 IMF 高质量部分斜率约束为 α_IMF = −2.42⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁵（占 IMF 的 11.6⁺².¹₋₁.₆% 以核心塌缩超新星形式爆发），并将 Ia 型超新星爆发率约束为每 1000 M⊙ 星体形成对应 0.5–1.4 次，同时揭示了持续存在的丰度不一致，提示可能存在尚未被识别的核合成通道。

ABSTRACT

Elemental abundances of stars are the result of the complex enrichment history of their galaxy. Interpretation of observed abundances requires flexible modeling tools to explore and quantify the information about Galactic chemical evolution (GCE) stored in such data. Here we present Chempy, a newly developed code for GCE modeling, representing a parametrized open one-zone model within a Bayesian framework. A Chempy model is specified by a set of 5-10 parameters that describe the effective galaxy evolution along with the stellar and star-formation physics: e.g. the star-formation history, the feedback efficiency, the stellar initial mass function (IMF) and the incidence of supernova type Ia (SN Ia). Unlike established approaches, Chempy can sample the posterior probability distribution in the full model parameter space and test data-model matches for different nucleosynthetic yield sets. We extend Chempy to a multi-zone scheme. As an illustrative application, we show that interesting parameter constraints result from only the ages and elemental abundances of Sun, Arcturus and the present-day interstellar medium (ISM). For the first time, we use such information to infer IMF parameter via GCE modeling, where we properly marginalize over nuisance parameters and account for different yield sets. We find that of the IMF $11.6_{-1.6}^{+2.1}$ % explodes as core-collapse SN, compatible with Salpeter 1955. We also constrain the incidence of SN Ia per 10^3 Msun to 0.5-1.4. At the same time, this Chempy application shows persistent discrepancies between predicted and observed abundances for some elements, irrespective of the chosen yield set. These cannot be remedied by any variations of Chempy's parameters and could be an indication for missing nucleosynthetic channels. Chempy should be a powerful tool to confront predictions from stellar nucleosynthesis with far more complex abundance data sets.

研究动机与目标

• 开发一个灵活、开源的化学演化模型，能够在贝叶斯框架内拟合复杂的恒星丰度数据。
• 实现对模型参数（包括恒星形成历史、IMF、反馈效率和 Ia 型超新星发生率）的完整后验抽样。
• 同时测试和比较多种核合成产额集合，考虑不确定性和系统效应。
• 基于太阳、大角星和本地 B 型星的观测丰度，对模型参数进行边际化处理，约束 IMF 高质量部分斜率。
• 识别预测与观测丰度之间持续存在的差异，可能提示存在尚未被识别的核合成过程。

提出的方法

• Chempy 采用参数化的单区化学演化模型，包含 5–10 个自由参数，用于描述恒星形成历史、反馈、IMF 和 Ia 型超新星发生率。
• 采用贝叶斯推断框架，对模型参数的完整后验分布进行抽样，实现不确定性量化和边际化处理。
• 模型支持多种核合成产额集合，可直接比较其再现观测丰度的能力。
• 多区扩展允许不同恒星拥有独立的星际介质演化历史，从而更严格地约束共享的物理参数。
• 模型整合了恒星年龄信息，并考虑了丰度测量值之间的协方差以及产额不确定性的相关性。
• 该模型公开可用，可通过 SSP 反馈输出与 N 体模拟集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 在对多余参数和产额不确定性进行恰当边际化处理后，仅凭太阳的元素丰度能否约束初始质量函数（IMF）的高质量部分斜率？
• RQ2 每 1000 M⊙ 星体形成对应的 Ia 型超新星爆发率是多少？该结果在不同产额集合下如何变化？
• RQ3 太阳、大角星和本地 B 型星的观测丰度在多大程度上约束了银河系的恒星形成历史和反馈效率？
• RQ4 即使在优化模型参数后，为何钠等某些元素的预测与观测丰度之间仍存在持续的不一致？
• RQ5 Chempy 的多区扩展能否揭示不同星族（如薄盘和厚盘）之间不同的化学增益历史？

主要发现

• IMF 的高质量部分斜率被约束为 α_IMF = −2.42⁺⁰.⁰⁶₋₀.⁰⁵，对应于 11.6⁺².¹₋₁.₆% 的 IMF 以核心塌缩超新星形式爆发。
• Ia 型超新星爆发率被约束为每 1000 M⊙ 星体形成对应 0.5–1.4 次，与以往元分析结果一致，但精度更高。
• Ia 型超新星的延迟时间被推断为 3–6 Gyr，表明存在寿命较长的前身体通道，这对于解释大角星中观测到的 α 元素增强至关重要。
• 尽管进行了细致的参数化和产额集合的调整，钠元素仍持续被高估，提示可能存在尚未识别的核合成通道或非均匀混合过程。
• 多区扩展成功恢复了太阳、大角星和 B 型星的独立星际介质增益历史，支持它们分别属于银河系不同组成部分的假设。
• Chempy 能够仅基于少量数据实现对 IMF 和 Ia 型超新星参数的稳健、具备不确定度感知的推断，展示了其在解释丰度调查方面的强大能力。