[论文解读] The Cycle of Dust in the Milky Way: Clues from the High-Redshift and Local Universe

E. Dwek, F. Galliano+1 more|ArXiv.org|Feb 27, 2009

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 1被引用 6

一句话总结

该论文提出，整合恒星演化与星际介质处理过程的尘埃演化模型，可解释星系中多环芳烃（PAHs）的金属丰度依赖性丰度以及高红移时期大质量尘埃储库的起源。研究显示，低质量渐近巨星支（AGB）恒星的延迟碳尘注入可解释PAH与金属丰度的相关性，而高红移尘埃质量则要求超新星每起爆炸产生0.1–1 M☉的尘埃——远超观测到的尘埃产量，除非分子云中的吸积过程增强了颗粒生长。

ABSTRACT

Models for the evolution of dust are used to show that the observed trend of the abundance of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with metallicity is the result of the delayed injection of carbon dust that formed in low mass asymptotic giant branch (AGB) stars into the interstellar medium. We also use our dust evolution models to examine the origin of dust at redshifts > 6, when only supernovae and their remnants could have been, respectively, their sources of production and destruction. Unless an average supernova (or its progenitor) produces between 0.1 and 1 Msun of dust, alternative sources will need to be invoked to account for the massive amount of dust observed at these redshifts.

研究动机与目标

• 解释星系中多环芳烃（PAH）丰度与金属丰度之间观测到的相关性。
• 确定早期宇宙（特别是红移 z > 6 时）尘埃产生的主要机制与破坏机制。
• 评估超新星是否足以解释高红移星系（如 J1148+5251）中观测到的巨大尘埃质量。
• 将尘埃演化整合进星族合成模型，以自洽地关联光谱能量分布（SED）中恒星与尘埃的辐射。

提出的方法

• 构建尘埃演化模型，追踪渐近巨星支（AGB）恒星和II型超新星（SNe）向星际介质（ISM）注入尘埃的过程，同时考虑主序星有限的演化寿命。
• 使用具有延迟注入的化学演化模型，模拟低质量恒星释放富含碳的尘埃以及超新星释放硅酸盐尘埃的时间依赖性过程。
• 在高红移分析中为简化起见，采用瞬时回收近似法，纳入超新星激波对颗粒的破坏作用以及分子云中通过吸积导致的颗粒生长。
• 对35个邻近星系进行SED拟合，利用自由-自由辐射、中红外（PAH）和远红外（尘埃加热）辐射，约束尘埃与气体组分。
• 通过调节超新星尘埃产量和星际介质颗粒破坏效率，模拟高红移星系中的尘气质量比，使用IMF平均尘埃产量 $\widehat{Y}_d$ 作为关键参数。
• 将理论尘埃质量分数与高红移类星体 J1148+5251（z = 6.4）的观测结果进行比较，要求其ISM中 Z_d = 0.0067，总质量为 3×10¹⁰ M☉。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何星系中多环芳烃（PAHs）的丰度与金属丰度相关？
• RQ2 在宇宙时空中，AGB恒星与超新星对星际尘埃库的相对贡献如何？
• RQ3 超新星是否足以单独产生足够的尘埃，以解释红移 z > 6 时高红移星系中观测到的尘埃质量？
• RQ4 星际介质中的颗粒破坏如何影响解释高红移尘埃储库所需的每颗超新星尘埃产量？
• RQ5 难熔元素在现有颗粒上的吸积在分子云中促进尘埃质量增长中起何作用？

主要发现

• 观测到的PAH丰度与金属丰度的相关性源于低质量AGB恒星向星际介质延迟注入碳尘，而非源于PAH形成过程对金属丰度的直接依赖。
• 为解释高红移类星体J1148+5251中观测到的尘埃质量分数Z_d = 0.0067，假设无颗粒破坏，超新星每起爆炸必须产生0.1至1 M☉的尘埃。
• 迄今为止观测到的最大超新星尘埃产量（Cas A中为0.054 M☉）不足以解释高红移尘埃质量，除非凝聚效率接近100%，或分子云中的吸积过程增强了颗粒生长。
• 星际介质中的颗粒破坏显著提高了对每颗超新星所需尘埃产量的要求；即使破坏量适中（⟨m_ISM⟩ = 100 M☉），所需产量也上升至每颗超新星1–2 M☉。
• 尘埃演化模型必须整合进星族合成模型，以自洽地关联星系光谱能量分布（SED）中恒星与尘埃辐射组分。
• 分子云中的吸积很可能是将尘埃质量增长超过超新星产量的关键机制，要求超新星遗迹通过非蒸发性颗粒-颗粒碰撞增强成核中心。