[論文レビュー] High-precision abundances of Sc, Mn, Cu, and Ba in solar twins. Trends of element ratios with stellar age

P. E. Nissen|Jun 27, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 93被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、HARPSスペクトルを用いて21個の太陽類星におけるSc、Mn、Cu、Baの高精度な元素比を測定し、6 Gyr未満の星において[X/Fe]比と星の年齢との間にきわめて明確な線形相関が見られることが明らかになった。結果から、Sc、Mn、Cuは主に質量の大きな星におけるType II超新星および弱いs過程で生成され、Baは低質量のAGB星によって豊かにされることが示唆された。また、[Y/Mg]および[Y/Al]は約1 Gyrの精度で星の年齢を推定するための頑健な化学時計として浮き彫りになった。

ABSTRACT

A previous study of correlations between element abundance ratios, [X/Fe], and ages of solar twin stars is extended to include Sc, Mn, Cu, and Ba. HARPS spectra with S/N > 600 are used to derive very precise (+/- 0.01 dex) differential abundances, and stellar ages with internal errors less than 1 Gyr are obtained by interpolation in the logg - Teff diagram between isochrones calculated with the Aarhus Stellar Evolution Code. For stars younger than 6 Gyr, [X/Fe] is tightly correlated with stellar age for all elements. For ages between 6 and 9 Gyr, the [X/Fe] - age correlations break down and the stars split up into two groups having respectively high and low [X/Fe] for the odd-Z elements. It is concluded that while stars in the solar neighborhood younger than about 6 Gyr were formed from interstellar gas with a smooth chemical evolution, older stars have originated from regions enriched by supernovae with different neutron excesses. Furthermore, the correlations between abundance ratios and stellar age suggest that: i) Sc is made in Type II supernovae along with the alpha-capture elements, ii) the Type II to Ia SNe yield ratio is about the same for Mn and Fe, iii) Cu is mainly made by the weak s-process in massive stars, iv) the Ba/Y yield ratio for AGB stars increases with decreasing stellar mass, v) [Y/Mg] and [Y/Al] can be used as "chemical clocks" when determining ages of solar metallicity stars.

研究の動機と目的

• 太陽類星におけるSc、Mn、Cu、Baの元素比の年齢依存性を拡張して調査すること。
• Feおよび他の基準要素に対する比を分析することで、これらの元素の核合成的起源を解明すること。
• 観測された元素比と年齢の相関関係が、6 Gyrより古い星においても滑らかな銀河化学進化を反映しているのか、あるいは複雑な増幅歴史を示しているのかを検証すること。
• [Y/Mg]および[Y/Al]が太陽金属量星の年齢推定に用いられる化学時計としての可能性を評価すること。
• 観測された元素比パターンを通じて、Type II超新星における中性子過剰とAGB星における質量依存の生成量の役割を明らかにすること。

提案手法

• 信号対雑音比600以上の高分解能HARPSスペクトルを用い、差分的元素比を約0.01 dexの精度で導出した。
• 星の大気パラメータはMARCSモデル大気を用い、鉄線の準位励起・イオン化バランスを用いて決定した。
• 星の年齢は、Aarhus Stellar Evolution Code (ASTEC) の等年齢線を用いてlog g – T_eff 図上で補間することで導出した。
• 元素比[X/Fe]を年齢関数として分析し、凝縮温度(T_C)に依存する傾向に注目した。
• [X/Fe]対年齢の線形回帰を、赤色カイ二乗(χ²_red ≈ 1)を用いて適合度を評価した。
• Yonsei-Yale等年齢線と比較することで、ASTECモデルにおける金属拡散効果を考慮した年齢スケールの一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 太陽類星において、[Sc/Fe]、[Mn/Fe]、[Cu/Fe]、[Ba/Fe]の元素比は星の年齢とともにどのように変化するか？
• RQ2 年齢に伴う観測された元素比の傾向は、6 Gyr未満の星において滑らかな化学進化のシナリオを支持するか？
• RQ3 6～9 Gyrの古い星における奇数原子番号元素（Na、Al、Sc、Cu）の元素比パターンは、銀河ディスクの化学的増幅歴史をどのように明らかにするか？
• RQ4 [Y/Mg]および[Y/Al]は、約1 Gyrの精度で星の年齢を推定するための信頼できる化学時計として機能するか？
• RQ5 BaとYのAGB星からの生成量は、元素比の傾向から推定されるように、星の質量にどのように依存するか？

主な発見

• 6 Gyr未満の星において、Sc、Mn、Cu、Baの[X/Fe]比は年齢と非常に明確な線形相関を示し、赤色カイ二乗値が1に近いことから、高精度な年齢-元素比関係が成立していることが示された。
• [Sc/Mg]比が年齢とともに滑らかに変化することから、Scはαキャプチャ元素とともにType II超新星で生成されていると示唆された。
• 年齢にかかわらず[Mn/Fe]比がほぼ一定であることから、MnのType IaとType II超新星からの生成量比が、Feと同程度の比率であることが示された。
• 全年齢範囲にわたり[Cu/Na]比の散らばりが小さいことから、Cuが主に質量の大きな星における弱いs過程で生成されているという仮説が支持された。
• [Ba/Fe]の年齢低下に伴う上昇が[Y/Fe]より急峻であることは、AGB星からのBa/Y生成量比が星の質量が小さくなるにつれて増加することを示し、最近の理論的予測と整合的である。
• [Y/Mg]および[Y/Al]比は、傾きが約-0.04 dex Gyr⁻¹の線形的で年齢依存の傾向を示し、太陽金属量星の年齢推定に頑健な化学時計として確立された。