[论文解读] The Complex Chemical Abundances and Evolution of the Sagittarius Dwarf Spheroidal Galaxy

T. Smecker-Hane, Andrew McWilliam|arXiv (Cornell University)|May 23, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 1被引用 12

一句话总结

本研究对人马座矮球状星系（Sgr dSph）中的14颗红巨星进行了高分辨率光谱观测，揭示了其恒星形成历史持续时间长达0.5至130亿年，化学演化过程复杂。数据表明，金属丰度较高的恒星具有较低的[α/Fe]、[Al/Fe]和[Na/Fe]，这是由于II型与Ia型超新星比例较低所致；而像La这样的s-过程元素则因长寿命、低金属丰度的AGB恒星污染而增强，表明其在数十亿年间持续发生化学增丰。

ABSTRACT

We report on the chemical abundances derived from high-dispersion spectra of 14 red giant stars in the Sagittarius dwarf spheroidal (Sgr dSph) galaxy. The stars span a wide range of metallicities, -1.6 < [Fe/H] < -0.1 dex, and exhibit very unusual abundance variations. For metal-poor stars with [Fe/H] < -1, [alpha/Fe] \approx +0.3 similar to Galactic halo stars, but for more metal-rich stars the relationship of [alpha/Fe] as a function of [Fe/H] is lower than that of the Galactic disk by 0.1 dex. The light elements [Al/Fe] and [Na/Fe] are sub-solar by an even larger amount, 0.4 dex. The pattern of neutron-capture heavy elements, as indicated by [La/Fe] and [La/Eu], shows an increasing s-process component with increasing [Fe/H], up to [La/Fe] \sim +0.7 dex for the most metal-rich Sgr dSph stars. The large [La/Y] ratios show that the s-process enrichments came from the metal-poor population. We can best understand the observed abundances with a model in which the Sgr dSph formed stars over a many Gyr and lost a significant fraction of its gas during its evolution. Low-mass, metal-poor AGB stars polluted the more metal-rich stars with s-process elements, and type Ia SNe from low-mass progenitors enriched the ISM with iron-peak metals. The type II/type Ia SNe ratio was smaller than in the Galactic disk, presumably due to a slower star formation rate; this resulted in the observed low [alpha/Fe], [Al/Fe] and [Na/Fe] ratios. The fact that Sgr stars span such a wide range in metallicity leads us to conclude that their age spread is even larger than previously inferred. We derive ages using the Padova models (Girardi et al. 2000) that span \sim 0.5 to 13 Gyr, implying a very long duration of star formation in the central regions of the Sgr dSph.

研究动机与目标

• 确定人马座矮球状星系（Sgr dSph）中红巨星在广泛金属丰度范围内的化学元素丰度分布模式。
• 利用观测到的丰度比和恒星年龄，约束Sgr dSph的恒星形成历史与化学演化过程。
• 探究II型与Ia型超新星以及AGB恒星在塑造金属丰度较高与较低恒星群体化学成分中的作用。
• 检验所观测到的丰度模式是否能通过包含气体损失与延迟增丰的持续恒星形成模型加以解释。
• 利用恒星演化模型为单颗恒星推导年龄，以建立Sgr dSph的年龄-金属丰度关系。

提出的方法

• 利用凯克I望远镜及其HIRES仪器，对Sgr dSph中14颗红巨星进行了高分辨率（R ≈ 34,000）光谱观测。
• 通过测量的等效宽度，推导出Fe、α-元素（O、Mg、Si、Ca、Ti）、Al、Na以及中子俘获元素（La、Y、Eu）的丰度。
• 通过将观测到的总辐射亮度与有效温度与Padova恒星演化模型（Girardi et al. 2000）进行比较，估算恒星年龄。
• 分析[α/Fe]、[Al/Fe]与[Na/Fe]丰度比随[Fe/H]的变化关系，以推断II型与Ia型超新星的相对贡献。
• 通过[La/Eu]与[La/Y]比值评估s-过程增丰，其中[La/Y]用于追踪前身AGB恒星的金属丰度。
• 将具有瞬时回收机制与不同恒星形成率（恒定、指数增长、递增）的简单化学演化模型，与观测到的年龄-金属丰度关系进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据其红巨星的年龄与金属丰度分布，Sgr dSph的恒星形成历史如何？
• RQ2 为何Sgr dSph中金属丰度较高的恒星表现出低于太阳的[α/Fe]比值？这对其II型与Ia型超新星比例有何启示？
• RQ3 像镧这样的s-过程元素如何在金属丰度较高的Sgr dSph恒星中实现增强？其前身恒星的金属丰度是多少？
• RQ4 为何Sgr dSph中金属丰度较高的恒星表现出[Al/Fe]与[Na/Fe]丰度低约0.4 dex？这与超新星与AGB核合成有何关联？
• RQ5 所观测到的丰度模式是否能通过一个包含显著质量损失与长寿命AGB恒星延迟增丰的持续恒星形成模型加以解释？

主要发现

• Sgr dSph红巨星的金属丰度范围为−1.6 ≤ [Fe/H] ≤ −0.05 dex，恒星年龄从约0.5至130亿年不等，表明其恒星形成历史极为漫长。
• 对于金属丰度较低的恒星（[Fe/H] < −1），[α/Fe] ≈ +0.3 dex，与银河系晕星相似，表明早期由II型超新星快速增丰。
• 在金属丰度较高的恒星中（[Fe/H] ≈ −0.3 dex），[α/Fe]比太阳低约0.1 dex，表明II型与Ia型超新星比例较低，与缓慢或间歇性恒星形成率一致。
• 在金属丰度较高的Sgr dSph恒星中，[Al/Fe]与[Na/Fe]均低约0.4 dex，此特征此前在该金属丰度范围内未被观测到，可能与II型超新星频率较低有关。
• [La/Eu]比值随[Fe/H]升高而增加，表明s-过程元素在金属丰度较高恒星中的贡献逐渐增强；而高[La/Y]比值则表明s-过程物质源自低金属丰度、长寿命的AGB恒星。
• 观测到的丰度模式最合理的解释是：低质量、低金属丰度的AGB恒星在数十亿年间持续向星际介质增丰，期间伴随显著的气体损失，且铁峰元素的增丰由Ia型超新星延迟贡献。