[論文レビュー] A resolution of the cosmic Lithium problem

Rachid Ouyed|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2013

Astronomy and Astrophysical Research参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、恒星の種族IIIからの遅延型超光度的クォーク新星（dsQNe）が、酸素豊富な噴出物での核分裂反応によって、A(Li) ≈ 2.2 の 7Li プレートウッドを生成することで、宇宙のリチウム問題を解決すると提案している。このモデルは観測されたスプライト・プレートウッド、その低い散らばり、および [Fe/H] < -3 におけるリチウムの低下を説明し、初期宇宙核合成の予測と金属量が低いヘリウム星における観測結果を一致させる。

ABSTRACT

In 1982, Monique and Francois Spite discovered that the 7Li abundance in the atmosphere of old metal-poor dwarf stars in the galactic halo was independent of metallicity and temperature. Since then, 7Li abundance in the Universe has become a subject of intrigue, because there is less of it in Population II dwarf stars (by a factor of 3) than standard big bang nucleosynthesis predicts. Here we show how quark-novae (QNe) occurring in the wake of Pop. III stars, can elegantly produce an A(Li) ~ 2.2 Lithium plateau in Pop. II (low-mass) stars formed in the pristine cloud swept up by the mixed SN+QN ejecta. We also find an increase in the scatter as well as an eventual drop in A(Li) below the Spite plateau values for very low metallicity ([Fe/H] &lt; -3) in excellent agreement with observations. We propose a solution to the discrepancy between the Big Bang Nucleosynthesis 7Li abundance and the Spite plateau and list some implications and predictions of our model.

研究の動機と目的

• ビッグバン核合成による予測される原始的 7Li 偽数（A(Li) ≈ 2.72）と、金属量が低いヘリウム星における観測値（A(Li) ≈ 2.2）との間の長年の不一致を解消すること。
• 標準的な減少モデルでは説明が難しい、スプライト・プレートウッド星における 7Li 偽数の低散らばり（≤0.05 dex）を物理的メカニズムで説明すること。
• [Fe/H] < -3 における 7Li 偽数の低下が観測されているが、従来のモデルでは説明できないこの特徴を説明すること。
• 種族III星からのクォーク新星という物理的メカニズムを提唱し、リチウム生成、初期の再電離、金属量が低い星の形成を同時に説明すること。

提案手法

• 遅延型超光度的クォーク新星（dsQNe）からの酸素豊富な噴出物における核分裂反応をモデル化し、7Li 生成量に与える影響を評価する。
• 核分裂反応に十分な相互作用時間を確保するため、遅延時間 t_delay > 8.3 日を採用し、SN+QN 噴出物の酸素層での反応を保証する。
• SN+QN 噴出物が取り込む原始的銀河間物質の混合をシミュレートし、低質量種族II星の形成を再現する。
• 原始的 7Li が巨大な種族III星で破壊され、その後 dsQNe によって再処理されるというアストラクションモデルを適用する。
• 得られた 7Li 偽数を観測されたスプライト・プレートウッド値（A(Li) ≈ 2.2）と一致させ、金属量の傾向と比較する。
• dsQNe からの重力波シグナルを予測し、将来的な重力波観測所での検出可能性と関連付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 クォーク新星（QNe）は、金属量が低いヘリウム星におけるスプライト・プレートウッドと一致する A(Li) ≈ 2.2 の 7Li プレートウッドを生成できるか？
• RQ2 スプライト・プレートウッド星における 7Li 偽数の低散らばり（≤0.05 dex）は、物理的メカニズムによってどのように説明できるか？
• RQ3 [Fe/H] < -3 における 7Li 偽数の低下はなぜ起こり、単一のモデルで再現可能か？
• RQ4 SN+QN 噴出物に取り込まれた原始的ガス雲から形成される低質量種族II星が、観測された化学組成と一致するか？
• RQ5 dsQNe は、リチウム生成、初期の再電離、および超光度的超新星の観測された遅延時間分布を統一的に説明できるか？

主な発見

• モデルは、金属量が低いヘリウム星における観測されたスプライト・プレートウッドと一致する A(Li) ≈ 2.2 の 7Li プレートウッドを生成する。
• 酸素豊富な噴出物における核分裂反応の均一性のおかげで、モデルはスプライト・プレートウッド星における 7Li 偽数の低散らばり（≤0.05 dex）を自然に再現する。
• モデルは、[Fe/H] ≈ -3 以下の金属量に応じた A(Li) の低下を予測し、極めて金属量が低い星の観測結果と一致する。
• モデルは、SN+QN 噴出物に取り込まれた原始的ガス雲から低質量種族II星が形成され、観測された金属量が低い矮星の化学組成と一致することを説明する。
• モデルは、dsQNe が初期の再電離を説明できることを示し、種族III星からの dsQNe が、WMAP の光学的厚さと一致する十分なイオン化光子を生成できる。
• dsQNe の予測される t_delay 範囲（2–20 日）は、超光度的超新星の光曲線へのフィットと化学的に特異な超新星と一致しており、普遍的な物理的起源を示唆している。