The galactic chemical evolution of carbon: Implications for stellar nucleosynthesis

Résumé technique : L'évolution chimique galactique du carbone : implications pour la nucléosynthèse stellaire

Énoncé du problème
Bien que le carbone (C) soit le deuxième élément métallique le plus abondant de l'Univers, son origine nucléosynthétique demeure incertaine. Si l'on a établi que les supernovae à effondrement de cœur (CCSN) issues d'étoiles massives ainsi que les étoiles de la branche asymptotique des géantes (AGB) produisent du carbone, les contributions relatives de ces sources font débat. Les prédictions théoriques de rendement sont entravées par les incertitudes liées à la physique de l'évolution stellaire, notamment les taux de perte de masse, le mélange rotationnel, les taux de réactions nucléaires et la convection. Les contraintes empiriques précédentes reposaient souvent sur les tendances [C/Fe] versus [Fe/H], que les auteurs soutiennent confondent les rendements dépendants de la métallicité avec les effets d'enrichissement retardé. Cet article vise à démêler ces effets afin de contraindre les rendements relatifs des CCSN et des étoiles AGB en utilisant des modèles d'évolution chimique galactique (GCE) étalonnés par des données d'abondance de haute précision.

Méthodologie
Les auteurs utilisent des modèles GCE multi-zones du disque de la Voie Lactée via le cadre vice (Versatile Integrator for Chemical Evolution). Les modèles se composent de 200 zones radiales intégrant les histoires de formation stellaire, les flux entrants (inflows), les flux sortants (outflows) et la migration stellaire radiale.

1. Référence observationnelle : L'étude utilise un échantillon de 14 066 sous-géantes issues du relevé APOGEE DR17 (Roberts et al. 2024). Les sous-géantes sont sélectionnées car leurs abondances de carbone photosphériques reflètent étroitement leur composition de naissance, évitant ainsi les processus de mélange interne (par exemple, le premier premier passage de la branche des géantes ou first dredge-up) qui altèrent les abondances dans les géantes rouges. L'analyse se concentre sur les tendances de [C/Mg] versus [Mg/H] et [C/Mg] versus [Mg/Fe].
2. Modélisation des rendements :
   • Étoiles AGB : Les auteurs testent quatre tables de rendements de la littérature (FRUITY, ATON, Monash, NuGrid). Ils introduisent un facteur d'échelle $\beta_{C}^{AGB}$ pour ajuster les rendements et définissent $f_{C}^{AGB}$ comme la fraction du carbone solaire produit par les étoiles AGB.
   • Étoiles massives (CCSN) : Au lieu d'adopter une seule table de la littérature, les auteurs paramètrent le rendement en carbone des CCSN ($y_{C}^{CC}$) comme une fonction linéaire de la métallicité ($Z$). Cela permet de contraindre empiriquement la dépendance à la métallicité ($\zeta_{C}^{CC}$) requise pour correspondre aux observations.
   • Autres sources : Les supernovae de type Ia (SNe Ia) et les novae sont supposées contribuer de manière négligeable à la production de $^{12}$C.
3. Stratégie d'analyse : Les auteurs comparent les prédictions des modèles aux tendances médianes observées de [C/Mg]-[Mg/H] et [C/Mg]-[Mg/Fe]. Ils utilisent spécifiquement la tendance [C/Mg]-[Mg/Fe] pour isoler la contribution de l'enrichissement retardé (étoiles AGB) de la dépendance à la métallicité de l'enrichissement instantané (CCSN).

Contributions clés et résultats

• Découplage de la dépendance à la métallicité et de l'enrichissement retardé : L'étude démontre que la tendance [C/Mg]-[Mg/H] est principalement déterminée par le rendement total en carbone en fonction de la métallicité, tandis que la tendance [C/Mg]-[Mg/Fe] est sensible à la distribution du temps de retard de la production de carbone (AGB). Cette distinction permet de séparer les contributions des AGB de la dépendance à la métallicité des CCSN, une tâche difficile avec les seules tendances [C/Fe].
• Évolution du rendement des CCSN : Les observations montrent une augmentation douce de [C/Mg] avec l'augmentation de [Mg/H]. Cependant, les modèles standards d'AGB prédisent des rendements de carbone décroissants avec l'augmentation de la métallicité. Pour reproduire l'augmentation observée de [C/Mg], les auteurs trouvent que les rendements des CCSN doivent augmenter avec la métallicité pour compenser la contribution déclinante des AGB. Ce résultat est cohérent avec les modèles de nucléosynthèse des étoiles massives intégrant la rotation (par exemple, Limongi & Chieffi 2018), où le mélange rotationnel améliore la production de carbone à des métallicités plus élevées.
• Quantification de la contribution des AGB : Sur la base de la pente de la relation [C/Mg]-[Mg/Fe], les auteurs contraignent la contribution des AGB à la production de carbone solaire ($f_{C}^{AGB}$) entre 10 % et 40 %. Dans leur modèle fiduciaire, ils adoptent $f_{C}^{AGB} \approx 0,25$.
• Disparités dans les temps de retard : Les auteurs notent que les tables de rendements AGB standards prédisent une tendance [C/Mg]-[Mg/Fe] concave vers le bas en raison de la cessation rapide de la production de carbone dans les populations stellaires uniques après quelques milliards d'années, alors que la production de fer par les SNe Ia se poursuit plus longtemps. Les données observées ne présentent pas ce niveau de concavité. Les auteurs suggèrent qu'un déplacement artificiel de la production de carbone des AGB vers des progéniteurs de plus faible masse (durées de vie plus longues) améliore l'ajustement à la tendance linéaire observée. Cela peut indiquer une divergence avec les prédictions actuelles de l'évolution stellaire concernant les temps de retard des AGB ou les hypothèses sur les taux de production de fer.
• Robustesse : Les résultats concernant la contribution relative des étoiles AGB sont robustes à travers différentes tables de rendements AGB (FRUITY, Monash, NuGrid) et différents jeux de données de relevés (GALAH, Gaia-ESO, LAMOST), malgré des décalages systématiques globaux dans les échelles d'abondance absolue.

Signification
Cet article fournit une contrainte empirique robuste sur l'origine du carbone galactique, résolvant un débat de longue date concernant la dominance des étoiles massives versus les étoiles AGB. En utilisant les rapports [C/Mg] et les sous-géantes, les auteurs démontrent que les étoiles massives dominent probablement la production de carbone à la métallicité solaire, les étoiles AGB y contribuant à hauteur d'environ 10 à 40 %. De plus, l'étude souligne la nécessité de rendements de CCSN dépendants de la métallicité (pilotés par la rotation) pour expliquer les tendances d'évolution chimique observées. Les conclusions suggèrent que les modèles actuels d'évolution stellaire pourraient sous-estimer les temps de retard pour la production de carbone par les étoiles AGB ou nécessiter des ajustements des taux de production de fer supposés pour correspondre pleinement aux motifs d'abondance observés.