[論文レビュー] Atomic diffusion in metal-poor stars: II. Predictions for the Spite plateau

M. Salaris, Achim Weiß|ArXiv.org|Apr 25, 2001

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 24被引用数 33

ひとこと要約

本稿は、最も金属不足なヘリウム巨星が13.5–14 Gyrの年齢であると仮定すれば、完全な原子拡散を含む星のモデルによって、金属不足星におけるリチウムプラトーが再現可能であることを示している。モデルは標準値よりも約2倍低い初期リチウム含有量を予測しており、これは高い宇宙論的バリオン密度と低い重水素含有量と整合的であり、長年にわたり広く受け入れられてきた「拡散が抑制されている必要がある」という仮定に反する。

ABSTRACT

We have computed a grid of up-to-date stellar evolutionary models including atomic diffusion, in order to study the evolution with time of the surface Li abundance in low-mass metal-poor stars. We discuss in detail the dependence of the surface Li evolution on the initial metallicity and stellar mass, and compare the abundances obtained from our models with the available Li measurements in Pop II stars. While it is widely accepted that the existence of the Spite Li-plateau for these stars is a strong evidence that diffusion is inhibited, we show that, when taking into account observational errors, uncertainties in the Li abundance determinations, in the effective temperature scale, and in particular the size of the observed samples of stars, the Spite plateau and the Li abundances in subgiant branch stars can be reproduced also by models including fully efficient diffusion, provided that the most metal-poor field halo objects are between 13.5 and 14 Gyr old. We provide the value of the minimum number of plateau stars to observe, for discriminating between efficient or inhibited diffusion. From our models with diffusion we derive that the average Li abundance along the Spite plateau is about a factor of 2 lower than the primordial one. As a consequence, the derived primordial Li abundance is consistent with a high helium and low deuterium Big Bang Nucleosynthesis; this implies a high cosmological baryon density as inferred from the analyses of the cosmic microwave background.

研究の動機と目的

• 最新の星のモデルに原子拡散を組み込んだうえで、金属不足星におけるSpiteのリチウムプラトーの解釈を再評価すること。
• 現在の観測的不確実性を考慮した場合、完全に効率的な拡散を持つモデルが観測されたプラトーを再現できるかどうかを評価すること。
• 効率的拡散と拡散抑制を区別するための、プラトー星の最小数を特定すること。
• 拡散を含むモデルが初期リチウム含有量および宇宙論的バリオン密度に与える影響を調査すること。

提案手法

• 更新された状態方程式、放射圧、核反応率を用いて、原子拡散を組み込んだ低質量・金属不足星の進化モデルのグリッドを計算した。
• さまざまな初期金属量および星の質量に対して、等年齢線に沿って表面リチウム含有量が有効温度および年齢の関数としてどのように変化するかを追跡した。
• 観測誤差、T_effスケールの不確実性、サンプルサイズの制限を考慮したうえで、第II星族星における観測リチウム含有量とモデル予測を比較した。
• 観測されたプラトーの幅と含有量レベルを用いて、効率的拡散と拡散抑制を区別するための最小星数に制約を加えた。
• 初期ヘリウム含有量と年齢のリチウム損失への影響を評価し、Y = 0.24の初期含有量が約1 Gyrの年齢シフトを引き起こすことを示した。
• 放射浮上による拡散速度の過大評価の可能性と質量損失の影響を検討し、これらが損失を過大評価する可能性があるものの、主たる結果に影響を与えない結論に至った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属不足星におけるSpiteのリチウムプラトーは、現在の観測的不確実性を考慮した場合、完全に効率的な原子拡散を持つモデルで再現可能か？
• RQ2 効率的拡散と拡散抑制を統計的に区別するための観測プラトー星の最小数は何か？
• RQ3 原子拡散の組み込みが、推定される初期リチウム含有量および宇宙論的バリオン密度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 有効温度、含有量決定、サンプルサイズの不確実性が、拡散の反証としてのプラトー解釈にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 原子拡散を完全に組み込んだ場合、観測されたリチウムプラトーは高い宇宙論的バリオン密度および低い重水素含有量と整合的であるか？

主な発見

• 金属不足星におけるSpiteのリチウムプラトーは、最も金属不足なヘリウム巨星が13.5–14 Gyrの年齢であると仮定すれば、完全に効率的な原子拡散を含むモデルによって再現可能である。
• プラトーに沿った平均リチウム含有量は、標準的な初期値よりも約2倍低いと予測されており、これは初期7Li含有量が低いことを示唆している。
• この低い初期リチウム含有量は、高い宇宙論的バリオン密度（Ω_B ≈ 0.037）と低い重水素含有量と整合的であり、宇宙マイクロ波背景放射の測定と一致する。
• 観測誤差、T_effの不確実性、サンプルサイズの制限の影響を受けるため、プラトーが原子拡散の反証とは見なされにくくなった。
• 効率的拡散と拡散抑制を区別するためのプラトー星の最小数が導出されたが、正確な数値は本文中に明記されていない。
• モデルは、放射浮上や質量損失に起因する不確実性に対しても、観測プラトーが頑健であることを示唆しており、これらは損失を過大評価する可能性があるものの、主たる結論を無効にしない。