[論文レビュー] Carbon-enhanced metal-poor stars: a window on AGB nucleosynthesis and binary evolution. I. Detailed analysis of 15 binary stars with known orbital periods

C. Abate, Onno R. Pols+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 78被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、赤道銀河系における低金属量の炭素およびs過程強化金属不足星（CEMP-s）の連星系を対象とし、漸近巨星分枝（AGB）核合成および連星進化を制約する。15個の星の観測された軌道周期と表面組成を同時に適合させるために、連星進化およびAGB核合成モデルを用いて解析した結果、効率的な風質量移動と強い角運動量損失が要求されることが判明した。一方、重元素組成の不一致は、特に低金属量において、現在のAGB核合成モデルに限界があることを示唆しており、その原因として物理的プロセスの欠落が考えられる。

ABSTRACT

AGB stars are responsible for producing a variety of elements, including carbon, nitrogen, and the heavy elements produced in the slow neutron-capture process ($s$-elements). There are many uncertainties involved in modelling the evolution and nucleosynthesis of AGB stars, and this is especially the case at low metallicity, where most of the stars with high enough masses to enter the AGB have evolved to become white dwarfs and can no longer be observed. The stellar population in the Galactic halo is of low mass ($\lesssim 0.85M_{\odot}$) and only a few observed stars have evolved beyond the first giant branch. However, we have evidence that low-metallicity AGB stars in binary systems have interacted with their low-mass secondary companions in the past. The aim of this work is to investigate AGB nucleosynthesis at low metallicity by studying the surface abundances of chemically peculiar very metal-poor stars of the halo observed in binary systems. To this end we select a sample of 15 carbon- and $s$-element-enhanced metal-poor (CEMP-$s$) halo stars that are found in binary systems with measured orbital periods. With our model of binary evolution and AGB nucleosynthesis, we determine the binary configuration that best reproduces, at the same time, the observed orbital period and surface abundances of each star of the sample. The observed periods provide tight constraints on our model of wind mass transfer in binary stars, while the comparison with the observed abundances tests our model of AGB nucleosynthesis.

研究の動機と目的

• 短いAGB段階のため、観測が困難な低金属量AGB星の核合成生成物を理解すること。
• 連星相互作用、特に風質量移動が、炭素強化金属不足（CEMP-s）の銀河系の星の表面組成をどのように説明できるかを調査すること。
• これらの系における観測された軌道周期と化学組成の両方に、連星進化モデルが整合しているかを検証すること。
• 観測値とモデル値の組成の不一致を、AGB核合成モデルに欠落している物理的プロセスの兆候として特定すること。
• 金属量の変動がモデル予測に与える影響、特に[Fe/H] < -2.24の星において評価すること。

提案手法

• 主星がAGB段階にある星から、低質量の副星への質量移動を再現するため、連星進化モデルを用いる。
• 観測された軌道周期を再現するために、可変な吸収効率を有する風質量移動と強い角運動量損失をモデルに組み込む。
• 対象の星の進化を詳細な物理プロセス（対流、混合、中性子捕獲反応など）を含む星の進化コードを用いてAGB核合成をモデル化する。
• 化学組成はAGB星の間隙層で合成され、副星の表面組成と比較する。
• モデルのパラメータを調整し、観測された軌道周期と観測された組成パターンの両方に一致させる。
• 金属量への感受性を検証するため、Z = 10⁻⁴のモデルと、より低い金属量（例：Z = 2×10⁻⁵）のモデルを比較し、特に[Fe/H] < -2.5の星に対して評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの連星進化モデルが、15個のCEMP-s星の観測された軌道周期と表面組成を同時に再現できるか？
• RQ2 これらの系の観測された軌道周期に一致させるために、どの程度の質量移動効率と角運動量損失機構が必要か？
• RQ3 なぜ一部のCEMP-s星、特にCEMP-s/r星では、重いs元素およびr過程元素の観測値とモデル値の間に大きな不一致が生じるのか？
• RQ4 金属量の変動が、特に中性子豊富な核種と鉛の核合成生成物に与える影響は何か？特に中性子豊富な核種と鉛の生成に影響を与える。
• RQ5 観測された組成の異常から、AGB核合成モデルに欠落しているか不正確にモデル化されている物理的プロセスは何か？

主な発見

• サンプルの大多数の星において、効率的な風質量移動と強い角運動量損失が、観測された軌道周期を再現するために必要である。
• モデルは多くの星の軌道周期と表面組成を成功裏に再現しており、連星進化フレームワークが観測と整合していることを示している。
• 特にCEMP-s/r星では炭素、ナトリウム、マグネシウム、および軽いs元素の過剰生成が観測され、現在のAGB核合成モデルの欠落を示唆している。
• モデルはr過程元素の組成を低く見積もっており、HE0024–2523の高い鉛/ストロンチウム比を再現できていない。これは、AGB星の間隙層でより高い中性子密度を必要としていることを示している。
• 金属量の変動はモデルの結果に顕著な影響を与える。Z = 10⁻⁴では、非常に金属量が低い星（例：CS29497–034）の重元素組成が低く見積もられるが、低金属量のモデルでは炭素と軽いs元素が過剰に生成される。
• 本研究では、特に[Fe/H] ≈ -3の星に対して、AGBモデルにおける中性子/鉄種の生成割合を低金属量で調整する必要があることが示された。