GCE. Elemententstehung. 8. Galaktische Chemische Evolution. Cora Fechner. Universität Potsdam SS 2014

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1 Elemententstehung 8. Galaktische Chemische Evolution Cora Fechner Universität Potsdam SS 2014

2 Galaktische Chemische Evolution

3 Übersicht Entwicklung der chemischen Zusammensetzung einer Galaxie System besteht aus primordialer Materie Entstehung von Sternen mit einer Rate Ψ(t) mit einer ursprünglichen Massenverteilung Φ(M) (SFR) (IMF) zur Zeit t entstandener Stern mit Masse M und Lebensdauer τ M stirbt zur Zeit t +τ M Abgabe von Teilen der Sternenmasse ans ISM durch stellare Winde und Supernovae Änderung der chemischen Zusammensetzung des ISM Entstehung von neuen, metallreicheren Sternen Zunahme der Metallizität Z = X i mit der Zeit Simple Model: von den Sternen freigesetztes Material wird sofort vollständig mit dem ISM vermischt (Instantaneous Mixing Approximation)

4 Formalismus des Simple Model: Gesamtmasse Gesamtmasse des Systems : m = m }{{} S + m }{{} G Sterne Gas Gesamtmasse der Sterne : m S = m }{{} L + m }{{} C lebende kompakte Sterne Überreste Entwicklung der Gesamtmasse : dm = (f o) dt = 0 Closed Box Model Rate für Materie-Einfall : f(t) Rate für Materie-Ausfluss : o(t)

5 Formalismus des Simple Model: Gasmasse Entwicklung der Gasmasse : dm G = Ψ+E +(f o) dt Sternentstehungsrate : Ψ(t) Rate für Massenausstoß durch Sterne : E(t) E(t) = MU M t (M C M )Ψ(t τ M )Φ(M)dM Masse des kompakten Überrest : C M IMF mit oberer Massengrenze M U : Φ(t) Masse der Sterne mit Lebensdauer τ M t : M t Masse der kompakten Überreste : m C = t 0 c(t) dt Massenerzeugungsrate für kompakte Überreste : c(t) c(t) = MU M t C M Ψ(t τ M )Φ(M)dM

6 Formalismus des Simple Model: Häufigkeiten Masse des Elements i im Gas: m i = m G X i d(m G X i ) dt = ΨX i +E i +(f X i,f ox i,o ) Rate für Ausstoß des Elements i durch Sterne: E i (t) E i (t) = MU M t Y i (M)Ψ(t τ M )Φ(M)dM vom Stern mit der Masse M als Element i ausgestoßene Masse: Y i (M) yield

7 Benötigte Größen individuelle stellare Eigenschaften Lebensdauer τm Masse der kompakten Überreste C M Yields Yi (M) kollektive stellare Eigenschaften IMF Φ(M) Sternentstehungsrate Ψ Materieeinfall und -ausfluss

8 Stellare Lebensdauer ( ( ) M 3 ( ) ) M 0.75 τ(m) = yr M M

9 Masse des stellaren Überrests C M (WZ) = 0.08M +0.47M C M (NS) = 1.35M C M (BH) = 0.24M 4M für M < 9M für 9 < M < 25M für M > 25M

10 Stellare Erträge Yields Yield: Y i (M) = Masse, die von einem Stern der Masse M als Element i abgegeben wird Netto-Yield: y i (M) = Y i (M) M 0,i (M) M 0,i (M) = X 0,i (M C M ) = vom Stern neu erzeugte Masse des Elements i Produktionsfaktor: f i (M) = Y i(m) M 0,i (M) = Y i (M) X 0,i (M C M )

11 Metallizitätsabhängigkeit der Yields primäre Kerne: aus anfänglichem H und He erzeugte Elemente metallunabhängige Yields sekundäre Kerne: aus anfänglich vorhandenen schweren Kernen erzeugte Elemente metallabhängige Yields Ungerade-Gerade-Effekt: Kerne mit ungerader Massenzahl werden bei großem Neutronen-Exzess bevorzugt produziert metallabhängige Yields Massenverlust!

12 Ursprüngliche Massenfunktion (IMF) heutige Massenfunktion: F(M) = dn dl dl dm τ M T τ M T bei zeitunabhängiger IMF: Φ(M) = T = Alter des Systems Φ(M) = F(M) Ψ 0 τ M M > 2M M < 0.8M Φ(M) = F(M) Ψ τ M F(M) T T τ M Ψ(t)dt Parametrisierung: Φ(M) = A M (1+x) Normalisierung: MU M L Φ(M)MdM = 1 x = 1.35 (Salpeter) x = 1.70 (Scalo)

13 Sternentstehung und Gasflüsse Sternentstehung findet in unterschiedlichen Galaxientypen auf verschiedene Weisen statt. keine Theorie zur Vorhersage von Sternentstehung! Ansatz: Ψ = ν m N G (Sterne entstehen aus Gas) Gasflüsse: Einfall von Gas Akkretion von intergalaktischem Material Ausstoß von Gas kinetische Energie thermische Energie Gezeitenkräfte oder ram pressure Supernova-Explosionen Gasgeschwindigkeit größer als die Fluchtgeschwindigkeit kleine Galaxien mit flachen Potentialtöpfen

14 Instantaneous Recycling Approximation Annahme: Sternen leben ewig: τ M T M < M T gar nicht: τ M = 0 M > M T M T (T 12Gyr) 1M analytische Lösung möglich Return Mass Fraction : R = Elementyield : p i = MU M T (M C M )Φ(M)dM 1 (1 R) MU M T y i (M)Φ(M)dM Beziehung zwischen Anreicherung des Gases und der Gasmasse: ( ) m X i X i,0 = p i ln m G ( ) 1 σ = m G = p i ln m σ Gasanteil = p i ν (1 R)t Ψ = ν m G

15 Der solare Zylinder Region mit r = 0.5kpc senkrecht zur galaktischen Scheibe, zentriert am Ort der Sonne Stern-Populationen: galaktischer Halo dünne Scheibe dicke Scheibe Alter 12 13Gyr 5 6Gyr 10Gyr Metallizität [Fe/H] < 1 [Fe/H] 0.1 [Fe/H] 0.7 Skalenhöhe pc 1.4kpc Rotation nein ja ja Beitrag zur < 5% 75% 20% Gesamtmasse

16 Die Sonnenumgebung Massen: Gas: ΣG 12M pc 2 lebende Sterne: Σ 30M pc 2 stellare Überreste: Σ G 8M pc 2 Gesamtmasse: ΣT 50M pc 2 SFR: Ψ M pc 2 Gyr 1 Gasanteil: σ 0.24 X i,, X i,now stellare Alters-Metallizitäts-Relation: log Z = f(t) Metallizitätsverteilung langlebiger G-Zwerge: dn/d(log Z) Beitrag von SNIa zur Fe-Häufigkeit > 50%

17 Das G-Zwerg-Problem lokale Metallizitätsverteilung langlebiger Sterne im Closed Box Model mit IRA und Z 0 = 0: d( n ( n 1 ) d(logz) = ln10 Z ( ) 1 exp Z 1 p exp Z ) p p weniger metallarme G-Zwerge beobachtet als vorausgesagt! Lösungsvorschläge: Vor-Anreicherung: Die Entwicklung der Scheibe beginnt mit Z Materie-Einfall!

18 GCE der Sonnenumgebung

19 GCE-Modelle für den galaktischen Halo [X/Fe]