[论文解读] The population of planetary nebulae and HII regions in M81. A study of radial metallicity gradients and chemical evolution

Letizia Stanghellini, L. Magrini+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2010

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 55被引用 32

一句话总结

本研究利用Hectospec/MMT数据对M81中的行星状星云（PNe）和H ii区进行了首次光谱分析，测量了元素丰度和径向金属丰度梯度。研究发现，PNe中存在浅但显著的负氧梯度（−0.055 dex kpc⁻¹），且年轻H ii区的梯度可能更陡，暗示梯度可能随时间变陡，表明在过去约10 Gyr中氧的富集程度较强。

ABSTRACT

We analyze the chemical abundances of planetary nebulae and HII regions in the M81 disk for insight on galactic evolution, and compare it with that of other galaxies, including the Milky Way. We acquired Hectospec/MMT spectra of 39 PNe and 20 HII regions, with 33 spectra viable for temperature and abundance analysis. Our PN observations represent the first PN spectra in M81 ever published, while several HII region spectra have been published before, although without a direct electron temperature determination. We determine elemental abundances of helium, nitrogen, oxygen, neon, sulfur, and argon in PNe and HII regions, and determine their averages and radial gradients. The average O/H ratio of PNe compared to that of the HII regions indicates a general oxygen enrichment in M81 in the last ~10 Gyr. The PN metallicity gradient in the disk of M81 is -0.055+-0.02 dex/kpc. Neon and sulfur in PNe have a radial distribution similar to that of oxygen, with similar gradient slopes. If we combine our HII sample with the one in the literature we find a possible mild evolution of the gradient slope, with results consistent with gradient steepening with time. Additional spectroscopy is needed to confirm this trend. There are no Type I PNe in our M81 sample, consistently with the observation of only the brightest bins of the PNLF, the galaxy metallicity, and the evolution of post-AGB shells. Both the young and the old populations of M81 disclose shallow but detectable negative radial metallicity gradient, which could be slightly steeper for the young population, thus not excluding a mild gradients steepening with the time since galaxy formation. During its evolution M81 has been producing oxygen; its total oxygen enrichment exceeds that of other nearby galaxies.

研究动机与目标

• 利用行星状星云（PNe）和H ii区作为化学演化探针，测量M81中的径向金属丰度梯度。
• 比较PNe（老年星族）和H ii区（年轻星族）的化学丰度，推断随时间变化的金属丰度演化。
• 确定M81中观测到的金属丰度梯度是否与银河系及其他星系不同，特别是在环境相互作用的背景下。
• 通过与理论模型比较，研究潮汐相互作用和气体剥离在塑造金属丰度梯度中的作用。
• 通过结合新获取的PNe光谱与现有H ii区数据，改进对化学演化模型的观测约束。

提出的方法

• 获取了M81中39个PNe和20个H ii区的高分辨率Hectospec/MMT光谱，其中33个光谱适合用于温度和丰度分析。
• 利用诊断发射线（如[O iii] λ4363、[Ne iii] λ3869）进行电子温度和离子丰度测定，推导出He、N、O、Ne、S和Ar的元素丰度。
• 利用星系中心距离（R_G）和log(O/H)值计算径向金属丰度梯度。
• 将新获取的H ii区样本与文献数据（GS87）结合，评估梯度斜率可能随时间演化的情况。
• 将观测到的梯度与涉及气体剥离和潮汐相互作用的化学演化模型预测进行比较。
• 使用统计分析评估梯度斜率的不确定性，并检验其与银河系和M33趋势的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 M81中行星状星云的氧径向金属丰度梯度是多少？与H ii区相比有何不同？
• RQ2 M81中的金属丰度梯度是否随时间演化，即年轻星族是否表现出比老年星族更陡的梯度？
• RQ3 M81中的观测化学富集程度与银河系及其他旋涡星系相比如何？
• RQ4 M81星系群环境中的潮汐相互作用和气体剥离在多大程度上影响了观测到的金属丰度梯度？
• RQ5 PNe和H ii区中观测到的丰度分布是否与涉及气体去除和恒星形成历史的化学演化理论模型一致？

主要发现

• PNe中平均O/H比值比H ii区高1.8倍，表明在过去约10 Gyr中M81的氧富集程度显著。
• PNe的径向金属丰度梯度为Δlog(O/H)/ΔR_G = −0.055 ± 0.02 dex kpc⁻¹，证实存在浅但可检测的负梯度。
• PNe中氖和硫的径向分布及梯度斜率与氧相差在15%以内，表明其化学演化模式相似。
• 结合MMT与GS87的H ii区样本得到更陡的梯度（−0.093 dex kpc⁻¹），提示可能存在时间演化，即年轻星族的梯度更陡。
• 样本中未发现I型PNe，与观测到的PNLF峰值及M81的金属丰度一致，支持了后AGB壳层演化序列。
• 观测到的梯度变陡现象与涉及气体剥离的理论模型一致，特别是对星系外区影响更显著。