[论文解读] Neutron-capture elements in dwarf galaxies III: A homogenized analysis of 13 dwarf spheroidal and ultra-faint galaxies

Moritz Reichert, C. J. Hansen+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 263被引用 68

一句话总结

本研究利用凯克望远镜和欧洲南方天文台档案中的高分辨率光谱数据，对13个矮球状星系和极低光度矮星系中的380颗恒星进行了恒星参数与元素丰度的统一分析。研究揭示了α元素的普遍质量-金属度关系，并发现r-过程元素的产生在2.1×10⁷M⊙至2.9×10⁵M⊙的星系质量范围内与星系质量无关，表明在这些系统中，稀有核心塌缩超新星是r-过程的主要来源。

ABSTRACT

We present a large homogeneous set of stellar parameters and abundances across a broad range of metallicities, involving $13$ classical dwarf spheroidal (dSph) and ultra-faint dSph (UFD) galaxies. In total this study includes $380$ stars in Fornax, Sagittarius, Sculptor, Sextans, Carina, Ursa Minor, Draco, Reticulum II, Bootes I, Ursa Major II, Leo I, Segue I, and Triangulum II. This sample represents the largest, homogeneous, high-resolution study of dSph galaxies to date. With our homogeneously derived catalog, we are able to search for similar and deviating trends across different galaxies. We investigate the mass dependence of the individual systems on the production of $\alpha$-elements, but also try to shed light on the long-standing puzzle of the dominant production site of r-process elements. We use data from the Keck observatory archive and the ESO reduced archive to reanalyze stars from these $13$ dSph galaxies. We automatize the step of obtaining stellar parameters, but run a full spectrum synthesis to derive all abundances except for iron. The homogenized set of abundances yielded the unique possibility to derive a relation between the onset of type Ia supernovae and the stellar mass of the galaxy. Furthermore, we derived a formula to estimate the evolution of $\alpha$-elements. Placing all abundances consistently on the same scale is crucial to answer questions about the chemical history of galaxies. By homogeneously analysing Ba and Eu in the 13 systems, we have traced the onset of the s-process and found it to increase with metallicity as a function of the galaxy's stellar mass. Moreover, the r-process material correlates with the $\alpha$-elements indicating some co-production of these, which in turn would point towards rare core-collapse supernovae rather than binary neutron star mergers as host for the r-process at low [Fe/H] in the investigated dSph systems.

研究动机与目标

• 为13个矮球状星系和极低光度矮星系创建一个一致且统一的恒星参数与元素丰度目录，以供比较化学演化研究。
• 研究α元素和中子俘获元素的产生对宽质量范围内星系恒星质量的依赖性。
• 通过分析低金属度系统中Ba和Eu的丰度，解决r-过程天体物理来源这一长期存在的谜题。
• 确定重r-过程元素的产生是否与α元素相关，这有助于区分双中子星并合与核心塌缩超新星作为r-过程宿主的可能性。
• 通过一致的丰度分析框架，建立Ia型超新星启动与星系恒星质量之间的可靠关系。

提出的方法

• 重新分析凯克天文台和欧洲南方天文台档案中13个dSph和UFD星系的高分辨率光谱数据。
• 使用一维光谱合成与局部热动平衡（LTE）方法，自动化推导恒星参数（Teff, log g, [Fe/H], vsini）。
• 对除铁以外的所有元素执行全谱合成，并在可能的情况下应用非LTE修正以提高准确性。
• 在所有13个星系中使用一致的原子谱线列表和丰度合成方法，以确保最终目录的统一性。
• 利用视差数据通过贝叶斯距离估计计算表面重力，以检验成员星身份与银河系距离的一致性。
• 通过比较推导出的视差与预期的银河系距离，量化每颗恒星在dSph中为成员星的概率，同时考虑测量不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在矮球状星系中，星系恒星质量与α元素演化之间是否存在普遍关系？
• RQ2 在低金属度系统中，r-过程元素（以Eu为示踪）的产生是否依赖于宿主星系的恒星质量？
• RQ3 α元素产生与dSph中r-过程元素富集之间有何关联？这对r-过程来源意味着什么？
• RQ4 能否通过统一的丰度分析方法可靠地将Ia型超新星的启动与星系质量关联起来？
• RQ5 Ba（s-过程示踪）和Eu（r-过程示踪）的丰度如何随金属度和星系质量变化？这揭示了早期化学富集的哪些信息？

主要发现

• 在13个dSph和UFD星系中，成功推导出星系恒星质量与α元素演化的普遍关系，覆盖了广泛的质量和金属度范围。
• 在2.1×10⁷M⊙至2.9×10⁵M⊙的质量范围内，未发现r-过程元素产生对星系恒星质量的依赖性，表明在此质量范围内r-过程产量与宿主质量无关。
• r-过程元素（Eu）与α元素之间的相关性表明二者可能共同产生，支持稀有核心塌缩超新星而非双中子星并合是这些低金属度系统中r-过程的主要来源。
• 通过统一的丰度目录，成功将Ia型超新星的启动与星系恒星质量关联起来，实现了定量的质量依赖性分析。
• 本研究发现Ba/Fe比值与以往研究存在显著差异，主要归因于对λ6141.73 Å处Fe I吸收线的改进加权与混合修正。
• 基于视差的表面重力估计对遥远恒星不可靠，因不确定性过大；贝叶斯距离估计表明1/π常高估距离，导致log g值不一致。