[论文解读] The nucleosynthetic history of elements in the Galactic disk: [X/Fe] - age relations from high-precision spectroscopy

L. Spina, J. Meléndez+5 more|ANU Open Research (Australian National University)|Jun 15, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 117被引用 43

一句话总结

本研究利用对太阳类似恒星的高精度光谱观测，获得了银河系盘中24种元素的精确 [X/Fe]-年龄关系，揭示了不同的核合成历史：α-元素和铁峰元素随时间表现出非线性演化，而n-捕获元素则因来自渐近巨星分支（AGB）恒星的s-过程贡献而随年龄增加。[Al/Y] 比值被确定为最灵敏的恒星时钟，其年龄依赖性极强。

ABSTRACT

Context: The chemical composition of stars is intimately linked to the Galaxy formation and evolution. Aims: We aim to trace the chemical evolution of the Galactic disk through the inspection of the [X/Fe]-age relations of 24 species from C to Eu. Methods: Using high-resolution and high-signal-to-noise UVES spectra of nine solar twins, we obtained precise estimates of stellar ages and chemical abundances. These determinations have been integrated with additional accurate age and abundance determinations from recent spectroscopic studies of solar twins existing in the literature, comprising superb abundances with 0.01~dex precision. Based on this data set, we outlined the [X/Fe]-age relations over a time interval of 10~Gyr. Results: We present the [X/Fe] - age relations for 24 elements (C, O, Na, Mg, Al, Si, S, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Ba, La, Ce, Nd, and Eu). Each different class of elements showed distinct evolution with time that relies on the different characteristics, rates and timescales of the nucleosynthesis' sites from which they are produced. The $α$-elements are characterised by a [X/Fe] decrement as time goes on. Strikingly, an opposite behaviour is observed for Ca. The iron-peak elements show an early [X/Fe] increase followed by a decrease towards the youngest stars. The [X/Fe] for the n-capture elements decrease with age. We also found that both [Mg/Y] and [Al/Y] are precise stellar clocks, with [Al/Y] showing the steepest dependence with age. Conslusions: Knowledge of the [X/Fe]-age relations is a gold mine from which we can achieve a great understanding about the processes that governed the formation and evolution of the Milky Way. Through the reverse engineering of these relations we will be able to put strong constraints on the nature of the stellar formation history, the SNe rates, the stellar yields, and the variety of the SNe progenitors.

研究动机与目标

• 通过利用从C到Eu的24种元素的精确 [X/Fe]-年龄关系，追踪银河系盘的化学演化。
• 通过将元素丰度比与恒星形成及超新星爆炸 timescales 关联，理解元素的核合成起源。
• 通过分析元素丰度比随时间的演化，识别可靠的恒星时钟以实现年龄测定。
• 约束II型和Ia型超新星以及AGB恒星对薄盘和厚盘化学富集的贡献。

提出的方法

• 对九颗太阳类似恒星进行高分辨率、高信噪比的UVES光谱观测，以实现0.01 dex精度的恒星年龄和元素丰度测定。
• 将新获得的丰度和年龄数据与现有文献值整合，构建覆盖10 Gyr的综合性 [X/Fe]-年龄数据集。
• 采用三种模型（线性、双曲线、双段线性）拟合 [X/Fe]-年龄关系，并通过统计比较确定最佳拟合函数。
• 使用双曲线模型识别 [X/Fe]-年龄关系的“拐点”，标记每种元素的核合成富集峰值时期。
• 将每种元素的 [X/Fe]-年龄关系拐点处的年龄与II型超新星与Ia型超新星的爆发率对数比相关联，以推断其核合成路径。
• 通过分析n-捕获元素的 [X/Fe] 趋势，基于斜率变化推断AGB恒星s-过程的主导贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在银河系盘中，24种元素的 [X/Fe] 比值如何随时间演化？这些趋势揭示了其核合成起源的哪些信息？
• RQ2 哪些丰度比表现出非线性或非单调的 [X/Fe]-年龄关系？这些偏差对超新星和AGB恒星贡献意味着什么？
• RQ3 为何Ca和Cr表现出 [X/Fe] 随年龄增加的反常趋势，而其他α-元素则相反？
• RQ4 [Y/Mg] 和 [Y/Al] 在多大程度上可作为精确的恒星时钟？哪一个对年龄更敏感？
• RQ5 n-捕获元素的 [X/Fe]-年龄关系斜率如何反映s-过程与r-过程核合成的相对贡献？

主要发现

• α-元素（如O、Mg、Si）的 [X/Fe]-年龄关系随时间单调下降，表明早期由II型超新星富集，随后被Ia型超新星稀释。
• Ca表现出相反趋势，[Ca/Fe] 随年轻恒星而增加，暗示其核合成起源与其他α-元素不同。
• [Al/Y] 比值在所有研究的丰度比中表现出最陡峭的年龄依赖性，是目前最灵敏的恒星时钟。
• 双曲线模型最适配大多数轻元素的 [X/Fe]-年龄关系，曲线拐点标志着核合成富集的峰值时期。
• n-捕获元素（如Ba、La、Ce、Nd、Eu）的 [X/Fe] 随年龄增加，且斜率越陡峭，表明AGB恒星s-过程贡献越强。
• 年龄约为6–8 Gyr的恒星表现出最高的α-元素增强，表明薄盘最初经历了一次恒星形成爆发。