[論文レビュー] Helium preenrichment in the star-forming regions

Leonid Chuzhoy|Feb 27, 2006

Astrophysics and Star Formation Studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、星形成の前に対象となる低密度でダークマター支配または放射圧支配のガス雲において、元素拡散が顕著なヘリウム事前豊度化を引き起こす可能性を提案している。このような環境では、拡散時間スケールが10^8年未塔に低下するため、原始的雲ですでに顕著なヘリウム分離が可能になる。

ABSTRACT

We show that element diffusion can produce large fluctuations in the initial helium abundance of the star-forming clouds. Diffusion time-scale, which in stars is much larger than the Hubble time, can fall below 10^8 years in the neutral gas clouds dominated by collisionless dark matter or with dynamically important radiation or magnetic pressure. Helium diffusion may therefore explain the recent observations of globular clusters, which are inconsistent with initially homogeneous helium distribution.

研究の動機と目的

• 標準的な星間核合成では説明できない、球状星団における観測されたヘリウム含有量の変動を説明すること。
• 低密度で衝突のない系における元素拡散が、星形成の前に対象となるヘリウム不均一性を生じさせ得るかどうかを調査すること。
• 球状星団の「第二パラメータ問題」を説明するための外部汚染シナリオの代替として、拡散の妥当性を評価すること。
• ダークマター、放射圧、磁場、乱流が、拡散駆動のヘリウム分離を促進または抑制する役割を評価すること。

提案手法

• 静的平衡下での定常拡散方程式を用いて、ダークマター支配のミニハロにおける重力沈降をモデル化する。
• 圧力勾配、重力、衝突摩擦のバランスからヘリウム拡散時間スケールτ_Heを導出し、それが温度とガス質量分率にのみ依存することを示す。
• MONDモデルおよび圧力閉じ込め型雲への分析を拡張し、放射圧や磁場圧力によって高密度を要せずとも効率的な拡散が可能になることを示す。
• 球対称系における濃度変化を追跡するために、連続の方程式とヘリウムと水素の原子間の速度差を用いる。
• 乱流混合効果を評価するため、拡散時間スケールと乱流渦の再循環時間スケールを比較し、濃度勾配の希釈度を推定する。
• 初期のハロー環境および星間媒体の観測的制約を適用し、原始的星形成における拡散の妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低密度でダークマター支配のガス雲における元素拡散が、星形成の前に対象となるヘリウム不均一性を生じさせ得るか？
• RQ2 ヘリウム拡散時間スケールが10^8年未塔に短くなる条件は何か？ これにより原始的星形成雲における事前豊度化が可能になる。
• RQ3 放射圧または磁場圧力の存在が、低密度環境におけるヘリウム拡散の効率にどのように影響するか？
• RQ4 乱流が、初期の星形成領域におけるヘリウム拡散によって生じる濃度勾配をどれほど抑制または消去するか？
• RQ5 拡散のみで、球状星団における観測されたヘリウム含有量の変動を説明できるか？ これは外部汚染シナリオの代替として成立するか？

主な発見

• ダークマター支配のミニハロでは、ガス質量分率が低く、温度が約10 Kのとき、ヘリウム拡散時間スケールが10^8年未塔に短くなり、顕著な事前豊度化が可能になる。
• MONDモデルでは、低密度系における重力の増強により、星質量の雲でヘリウム拡散が全バリオン質量の半分まで事前豊度化を引き起こす。
• 放射圧または磁場圧力で閉じ込められた雲では、温度が約10^4 Kに達するとき、拡散が効率的になり、τ_He ≈ 10^9年となり、雲の動的時間スケールと同等の時間スケールになる。
• 準拡散温度が約10^4 Kで低圧力（p/k ≈ 10^2–10^3 K·cm⁻³）の初期ハローでは、星形成の前に対象となるヘリウム含有量の変動が測定可能になる。
• 乱流混合は濃度勾配を希釈するが、同位体およびダスト粒子の分離に関する観測的証拠から、このような混合は限定的であると考えられ、ヘリウム不均一性が存続可能である。
• 本モデルは、外部汚染を要しないで、「第二パラメータ問題」を説明する有効な代替手段を提供する。なぜなら、外部源を必要とせず、自然に不均一な初期ヘリウム含有量を生成するからである。