The effects of Population III stars and variable IMF on the chemical evolution of the Galaxy

We studied the effects of a hypothetical initial stellar generation (PopIII) of only massive and very massive stars (VMS) on the chemical evolution of the Galaxy. We adopted the two-infall chemical evolution model of Chiappini et al. and tested several sets of yields for primordial VMS (Pair-Creation SNe), which produce different amounts of heavy elements than lower mass stars. We focused on the evolution of alpha-elements, C, N, Fe. The effects of PopIII stars on the Galactic evolution of these elements is negligible if a few generations of such stars occurred, whereas they produce different results from the standard models if they formed for a longer period. Also the effects of a more strongly variable IMF were discussed, making use of suggestions appeared in the literature to explain the lack of metal-poor stars in the Galactic halo with respect to model predictions. The predicted variations in abundances, SN rates, G-dwarf [Fe/H] distribution are here more dramatic and in contrast with observations; we concluded that a constant or slightly varying IMF is the best solution. Our main conclusion is that if VMS existed they must have formed only for a very short period of time (until the halo gas reached the threshold metallicity for the formation of very massive objects); in this case, their effects on the evolution of the studied elements was negligible also in the earliest phases. We thus cannot prove or disprove the existence of such stars on the basis of the available data. Due to their large metal production and short lives, primordial VMS should have enriched the halo gas beyond the metallicity of the most metal poor stars known in a few Myrs. This constrains the number of Pair-Creation SNe: we find that a number of 2-20 of such SNe occurred in our Galaxy depending on the stellar yields.Comment: 30 pages, 10 figures, accepted for publication in New Astronom

Evoluzione delle abbondanze chimiche nei bulbi di spirali attivi e inattivi

2006/2007In this thesis I develop a chemical evolution model which takes advantage of the most recent high-quality abundance observations in the Galactic bulge to put constraints on its formation and evolution and to obtain a baseline model for bulges in general. I adopt updated massive star nucleosynthesis and follow the evolution of several alpha-elements and Fe by varying the evolutionary parameters. The [alpha/Fe] ratios in the bulge are correctly predicted to be supersolar for a wide range in [Fe/H], and the stellar metallicity distribution is reproduced assuming a short formation timescale, a high star formation efficiency and an initial mass function flatter than the disk. Metallicity-dependent oxygen yields with stellar mass loss are included in the chemical evolution models for the bulge and the solar neighbourhood. The agreement between predicted and observed [O/Mg] trends above solar metallicity is significantly improved; a normalisation problem probably indicates that the adopted semi-empirical yields need adjustment. The difference between [O/Fe] and the other [alpha/Fe] ratios in the bulge and solar neighbourhood is explained. I test the so-called universal initial mass function, suitable for ellipticals and disks, to see if the bulge stellar metallicity distribution can be reproduced by varying the yields for very massive stars, and included M31 in my analysis. I show that assuming a flatter initial mass function than the universal one is necessary, and that a variation exists in the initial mass function among different environments. Finally, I investigate the evolution of spiral bulges hosting Seyfert nuclei, with detailed calculations of the galactic potential and of the feedback from the central supermassive black hole in an Eddington-limited accretion regime. New spectro-photometrical evolution codes covering a wide range of stellar ages and metallicities allowed to model the photometric features of local bulges. I successfully predict the observed black hole-host bulge mass relation. The observed present-day nuclear bolometric luminosity is achieved only for the most massive bulges, otherwise a rejuvenation is necessary. The observed high star formation rates and metallicities, constancy of chemical abundances with the redshift and bulge present-day colours are reproduced, but a steeper initial mass function is required to match the colour-magnitude relation and the present K-band bulge luminosity.In questa tesi, ho sviluppato un modello di evoluzione chimica che si avvale di recenti osservazioni ad alta qualità di abbondanze chimiche nel bulbo della Via Lattea, per porre dei vincoli sui suoi meccanismi di formazione ed evoluzione e ottenere un modello generale per i bulbi di spirale. Ho adottato una nucleosintesi aggiornata per le stelle massicce e seguito l'evoluzione di diversi elementi-alpha e del ferro, variando i parametri evolutivi. Si prevede correttamente che i rapporti [alpha/Fe] nel bulbo siano soprasolari per un ampio intervallo in [Fe/H]. La distribuzione in metallicità è riprodotta con un tempo di formazione breve, un'alta efficienza di formazione stellare e una funzione iniziale di massa più piatta che nel disco. Yields di ossigeno con perdita di massa stellare in funzione della metallicità sono stati inclusi nei modelli di evoluzione chimica del bulbo e dei dintorni solari. L'accordo tra gli andamenti di [O/Mg] previsti e osservati per metallicità soprasolari risulta sensibilmente migliorato; si spiega inoltre la differenza tra il rapporto [O/Fe] e gli altri [alpha/Fe] nel bulbo e nei dintorni solari. Un problema di normalizzazione indica che probabilmente gli yields semi-empirici adottati necessitano una revisione. Ho verificato se con la cosiddetta funzione iniziale di massa universale, adeguata per galassie ellittiche e dischi, la distribuzione in metallicità stellare del bulge può essere riprodotta calibrando gli yields delle stelle supermassicce, includendo M31 nell'analisi. Si dimostra che una funzione iniziale di massa più piatta di quella universale è necessaria, e che esiste una variazione nella funzione iniziale di massa tra i diversi ambienti. Infine, ho studiato l'evoluzione di bulbi di spirali che ospitano galassie di Seyfert, mediante calcoli dettagliati del potenziale galattico e del feedback dal buco nero supermassiccio centrale in un regime di accrescimento limitato dal tasso di Eddington. Nuovi codici spettro-fotometrici che coprono un ampio intervallo di età stellari e di metallicità hanno permesso di modellizzare le caratteristiche fotometriche dei bulbi locali. La relazione osservata tra massa del buco nero e del bulbo ospite è prevista con successo. La luminosità bolometrica nucleare misurata al tempo presente si consegue solo per i bulbi più massicci, negli altri casi è necessario un "ringiovanimento". Le osservazioni di alto tasso di formazione stellare, alte metallicità, invarianza di abbondanze chimiche col redshift e colori dei bulbi locali sono riprodotte; una funzione iniziale di massa più ripida è invece richiesta per la relazione colore-magnitudo e la luminosità dei bulbi in banda K al tempo presente.XX Ciclo197