[论文解读] The GALAH Survey: Dependence of elemental abundances on age and metallicity for stars in the Galactic disc

Sanjib Sharma, Michael Hayden+25 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2020

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 62被引用 33

一句话总结

本研究利用GALAH巡天数据表明，银河系盘星的元素丰度随恒星年龄和[Fe/H]平滑且可预测地变化，内在离散度较小，约为0.03–0.05 dex。研究结果揭示了年龄与金属量趋势的可加性分离，将丰度梯度与不同的核合成来源联系起来，并实现了对恒星年龄和形成半径的估算，推动了银河系考古学与化学演化建模的发展。

ABSTRACT

Using data from the GALAH survey, we explore the dependence of elemental abundances on stellar age and metallicity among Galactic disc stars. We find that the abundance of most elements can be predicted from age and [Fe/H] with an intrinsic scatter of about 0.03 dex. We discuss the possible causes for the existence of the abundance-age-metallicity relations. Using a stochastic chemical enrichment scheme based on the size of Supernovae remnants, we show the intrinsic scatter is expected to be small, about 0.05 dex or even smaller if there is additional mixing in the ISM. Elemental abundances show trends with both age and metallicity and the relationship is well described by a simple model in which the dependence of abundance ([X/Fe]) on age and [Fe/H] are additively separable. Elements can be grouped based on the direction of their abundance gradient in the (age,[Fe/H]) plane and different groups can be roughly associated with three distinct nucleosynthetic production sites, the exploding massive stars, the exploding white dwarfs and the AGB stars. However, the abundances of some elements, like Co, La, and Li, show large scatter for a given age and metallicity, suggesting processes other than simple Galactic chemical evolution are at play. We also compare the abundance trends of main-sequence turn-off stars against that of giants, whose ages were estimated using asteroseismic information from the K2 mission. For most elements, the trends of main-sequence turn-off stars are similar to that of giants. The existence of abundance relations implies that we can estimate the age and birth radius of disc stars, which is important for studying the dynamic and chemical evolution of the Galaxy.

研究动机与目标

• 利用高精度光谱数据研究银河系盘星中元素丰度对恒星年龄与金属量的依赖关系。
• 确定丰度模式是否能以极小的内在离散度从年龄与[Fe/H]预测，表明星际介质中混合效率高。
• 探讨观测到的丰度-年龄-金属量关系的物理起源，特别是随机化学富集与星际介质混合的作用。
• 比较主序拐点（MSTO）星与星震测龄巨星的丰度趋势，以检验这些关系的普适性。
• 识别偏离预测趋势的元素，可能表明存在额外的天体物理过程或系统性效应。

提出的方法

• 利用GALAH巡天提供的高分辨率光谱数据，针对约50,000颗主序拐点（MSTO）星与约4,000颗来自K2任务的星震测龄巨星。
• 采用恒星大气建模与逐线丰度分析方法，推导出27种元素的丰度，包括α-、s-与r-过程元素。
• 通过等距线拟合与星震学方法确定年龄，[Fe/H]用作形成半径与金属量的代理变量。
• 通过统计建模量化丰度关系中的内在离散度，假设年龄与[Fe/H]依赖关系具有可加性分离。
• 通过超新星遗迹尺寸建模随机化学富集，表明若星际介质混合高效，则预期内在离散度较小（~0.05 dex）。
• 研究恒星参数（Teff、log g、SNR）与恒星类型（矮星与巨星）带来的系统性影响，以评估丰度关系的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 银河系盘星的元素丰度能否以低内在离散度从年龄与[Fe/H]预测？
• RQ2 哪些物理机制解释了丰度对年龄与金属量的平滑依赖关系？
• RQ3 在不同银河系半径处，MSTO星与星震测龄巨星的丰度趋势有何异同？
• RQ4 哪些元素偏离了预测的丰度-年龄-金属量关系，其偏差可能由何种原因造成？
• RQ5 恒星参数（Teff、log g、SNR）与恒星类型（矮星与巨星）在多大程度上影响丰度关系的可靠性？

主要发现

• 银河系盘星中大多数元素的丰度可基于年龄与[Fe/H]预测，MSTO星的内在离散度约为0.033 dex，巨星约为0.046 dex。
• 丰度趋势可用一种模型良好描述，该模型中[X/Fe]对年龄与[Fe/H]的依赖关系具有可加性分离，表明化学演化过程具有一致性。
• 元素可依据其在(年龄, [Fe/H])平面中的丰度梯度方向分组，各组与核合成来源密切相关：大质量恒星（α-过程）、白矮星（铁峰元素）与AGB星（s-过程）。
• 在随机化学富集模型中，给定年龄与[Fe/H]的丰度内在离散度较小（~0.05 dex），且随着额外的星际介质混合进一步减小。
• 锂（Li）、钴（Co）、锆（Zr）、镧（La）、钒（V）（在矮星中）以及钡（Ba）、钇（Y）、钾（K）、钒（V）（在巨星中）在给定年龄与金属量下表现出较大离散度，提示可能存在非化学演化过程或系统性效应。
• MSTO星与星震测龄巨星的丰度趋势在银河系盘中保持一致，包括太阳半径以外区域，表明这些关系对大多数盘星具有广泛适用性。