[论文解读] Observational constraints on the origin of the elements. V. Non-LTE abundance ratios of [Ni/Fe] in Galactic stars and enrichment by sub-Chandrasekhar mass SNe

P. Eitner, M. Bergemann+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2022

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 8被引用 4

一句话总结

本研究通过在264颗银河系恒星中对镍和铁的非局部热动平衡（NLTE）建模，约束了亚钱德拉塞卡尔质量Type Ia超新星（SN Ia）对星系化学演化的影响。研究发现，NLTE效应使[Fe/H] ≈ -2时的[Ni/Fe]升高约0.15 dex，且必须有75%的SN Ia事件为亚钱德拉塞卡尔质量，才能重现观测到的[Ni/Fe]趋势，特别是低金属度下的微弱反相关性。

ABSTRACT

We constrain the role of different SN Ia channels in the chemical enrichment of the Galaxy by studying the abundances of nickel in Galactic stars. We investigate four different SN Ia sub-classes, including the classical single-degenerate near-Chandrasekhar mass SN Ia, the fainter SN Iax systems associated with He accretion from the companion, as well as two sub-Ch mass SN Ia channels. The latter include the double-detonation of a white dwarf accreting helium-rich matter and violent white dwarf mergers. NLTE models of Fe and Ni are used in the abundance analysis. In the GCE models, we include new delay time distributions arising from the different SN Ia channels, as well as recent yields for core-collapse supernovae and AGB stars. The data-model comparison is performed using a Markov chain Monte Carlo framework that allows us to explore the entire parameter space allowed by the diversity of explosion mechanisms and the Galactic SN Ia rate, taking into account the uncertainties of the observed data. We show that NLTE effects have a non-negligible impact on the observed [Ni/Fe] ratios in the Galactic stars. The NLTE corrections to Ni abundances are not large, but strictly positive, lifting the [Ni/Fe] ratios by ~+0.15 dex at [Fe/H] =-2. We find that that the distributions of [Ni/Fe] in LTE and in NLTE are very tight, with a scatter of < 0.1 dex at all metallicities, supporting earlier work. In LTE, most stars have scaled-solar Ni abundances, [Ni/Fe] = 0, with a slight tendency for sub-solar [Ni/Fe] ratios at lower [Fe/H]. In NLTE, however, we find a mild anti-correlation between [Ni/Fe] and metallicity, and a slightly elevated [Ni/Fe] ratios at [Fe/H] < -1.0. The NLTE data can be explained by the GCE models calculated with a substantial, ~ 75%, fraction of sub-Ch SN Ia.

研究动机与目标

• 通过观测到的[Ni/Fe]丰度比，确定亚钱德拉塞卡尔质量Type Ia超新星（SN Ia）在银河系化学增丰中的作用。
• 评估非局部热动平衡（NLTE）效应对金属贫乏银河系恒星中镍和铁丰度测定的影响。
• 将观测到的[Ni/Fe]趋势与包含多样化SN Ia通道及更新核合成产额的星系化学演化（GCE）模型进行比较。
• 利用马尔可夫链蒙特卡洛框架，约束源自亚钱德拉塞卡尔质量前身星的SN Ia事件比例。
• 通过引入NLTE修正，解决基于LTE的丰度研究与观测到的[Ni/Fe]趋势之间的矛盾。

提出的方法

• 从Gaia-ESO巡天获取264颗具有Gaia eDR3天体测量和测光数据的银河系恒星的高分辨率（R = 47,000）光学光谱。
• 使用Voronov等人（2022）更新的碰撞截面数据，对铁和镍应用非局部热动平衡辐射转移模型，计算NLTE丰度。
• 构建了包含四种不同SN Ia通道的星系化学演化（GCE）模型：经典单简并星（Mch）、SN Iax类、双点火爆炸和剧烈白矮星并合。
• 利用近期SN Ia前身星模型推导出的延迟时间分布（DTDs），模拟铁峰元素的时间依赖性增丰。
• 采用马尔可夫链蒙特卡洛（MCMC）框架，探索SN Ia事件比例、产额和DTDs的完整参数空间，同时考虑观测不确定性。
• 将NLTE和LTE模型预测与[Fe/H] ≈ -2.5至0.5范围内金属度的观测[Ni/Fe]比值进行比较，以确定最佳拟合的SN Ia通道比例。

实验结果

研究问题

• RQ1 非局部热动平衡（NLTE）效应对金属贫乏银河系恒星中观测到的[Ni/Fe]丰度比有何影响？
• RQ2 在SN Ia前身星通道中，特别是亚钱德拉塞卡尔质量或钱德拉塞卡尔质量，哪一种最能重现银河系中观测到的[Ni/Fe]趋势？
• RQ3 在星系化学演化中，包含NLTE修正后，对亚钱德拉塞卡尔质量SN Ia事件比例的推断有何改变？
• RQ4 当使用NLTE丰度时，基于不同恒星产额（如Limongi & Chieffi 2018与Nomoto et al. 2013）的GCE模型是否能重现观测到的[Ni/Fe]模式？
• RQ5 推断出的亚钱德拉塞卡尔质量SN Ia事件比例与以往类似丰度研究的约束是否一致？

主要发现

• NLTE修正使[Fe/H] ≈ -2时的[Ni/Fe]丰度比增加约+0.15 dex，表明对镍丰度测定有不可忽视的影响。
• NLTE下观测到的[Ni/Fe]比值表现出微弱的反相关性，且在[Fe/H] ≤ -1.0时略为升高，与LTE下接近太阳值的[Ni/Fe]形成对比。
• 最符合NLTE [Ni/Fe]数据的GCE模型要求亚钱德拉塞卡尔质量SN Ia贡献约为75%，与Eitner等人（2020）的早期约束一致。
• 基于大质量恒星Limongi & Chieffi（2018）产额的GCE模型能很好地重现观测到的NLTE [Ni/Fe]模式，在低金属度时表现出轻微超太阳趋势，并在接近太阳金属度时趋于平坦。
• 相比之下，使用Nomoto等人（2013）产额的模型在低金属度时显著低估[Ni/Fe]比值，且无法匹配NLTE数据。
• 在所有金属度下，[Ni/Fe]比值的紧密散布（≤0.1 dex）在LTE和NLTE中均成立，支持了丰度测量的稳健性以及GCE建模框架的可靠性。