[論文レビュー] Overview of the lithium problem in metal-poor stars and new results on 6Li

R. Cayrel, M. Steffen+3 more|ArXiv.org|Oct 23, 2008

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、金属貧乏星における6Liの観測された同位体比を、3次元非局所熱力学平衡（3D-NLTE）線幅を水素的星の大気モデルで再評価することで見直した。赤側翼における7Li線の6Li信号は、主に対流運動に起因する内在的な線幅非対称性に起因しており、推定される6Li/7Li比は約0.04から約0.02に低下し、確認された6Li検出数は9から1〜2に著しく減少した。

ABSTRACT

Two problems are discussed here. The first one is the 0.4 dex discrepancy between the 7Li abundance derived from the spectra of metal-poor halo stars on the one hand, and from Big Bang nucleosynthesis, based on the cosmological parameters constrained by the WMAP measurements, on the other hand. Lithium, indeed, can be depleted in the convection zone of unevolved stars. The understanding of the hydrodynamics of the crucial zone near the bottom of the convective envelope in dwarfs or turn-off stars of solar metallicity has recently made enormous progress with the inclusion of internal gravity waves. However, similar work for metal-poor stars is still lacking. Therefore it is not yet clear whether the depletion occurring in the metal-poor stars themselves is adequate to produce a 7Li plateau. The second problem pertains to the large amount of 6Li recently found in metal-poor halo stars. The convection-related asymmetry of the 7Li line could mimic the signal attributed so far to the weak blend of 6Li in the red wing of the 7Li line. Theoretical computations show that the signal generated by the asymmetry of 7Li is 2.0, 2.1, and 3.7 per cent for [Fe/H]= -3.0, -2.0, -1.0, respectively (Teff =6250 K and log g=4.0 [cgs]). In addition we re-investigate the statistical properties of the 6Li plateau and show that previous analyses were biased. Our conclusion is that the 6Li plateau can be reinterpreted in terms of intrinsic line asymmetry, without the need to invoke a contribution of 6Li. (abridged)

研究の動機と目的

• 金属貧乏ギャラクティックホール星における観測された6Li同位体比と理論的予想との乖離を解消すること。
• 7Li線の赤側翼における顕在的な6Li信号が、大気の力学的要因に起因するものであり、真の同位体比ではないかどうかを調査すること。
• 3次元流体力学的効果と非局所熱力学平衡（non-LTE）効果が、7Li線幅を歪め、6Li吸収を模倣する役割を果たすかを評価すること。
• Asplund et al. (2006)のサンプルにおける6Li/7Li比を、物理的に現実的な3D-NLTEシミュレーションを用いて再評価すること。
• 観測された6Liプラトーが、特異な核合成機構を仮定せずに、内在的な線幅非対称性によって説明可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 金属貧乏星の大気をモデル化するために、CO 5 BOLDコードを用いた3次元流体力学的シミュレーションを実施した。
• 流体力学的モデルのスナップショット上で放射線輸送を用いて、7Li共鳴線の3D-NLTE線幅を計算した。
• 非対称な3D線幅を2つの対称な1次元線幅にフィットさせることで、等価な同位体比6Li/7Li（「asym」と表記）として線幅非対称性を定量化した。
• Asplund et al. (2006)のサンプルに含まれる全星の範囲をカバーするため、効果的温度（Teff）、表面重力（log g）、金属量（[Fe/H]）を変化させた。
• 放射エネルギー交換と線形成を正確にモデル化するため、140×140×150セルのグリッドと6波長チャンネルを用いた。
• 予測された非対称性値とALN06から得られた観測された6Li/7Li比を比較し、大気の力学的要因と真の6Li同位体比の寄与を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属貧乏星の大気における対流的流体力学的効果が、どれほど6Li信号を模倣する線幅非対称性を生じるか。
• RQ2 金属貧乏星における観測された6Li/7Li比プラトーが、原始核合成ではなく大気の力学的要因によって説明可能か。
• RQ3 サンプル全体にわたって、効果的温度、重力、金属量の変化に伴い予測された線幅非対称性はどのように変化するか。
• RQ4 3D-NLTE効果が7Li線幅の解釈および導出される6Li同位体比に与える影響は何か。
• RQ5 Asplund et al. (2006)のサンプルで報告された9件の6Li検出は、信頼できるものか、それとも非対称性効果によって著しくバイアスされているか。

主な発見

• 金属貧乏星（Teff = 6250 K、log g = 4.0、[Fe/H] = -3.0および-2.0）における計算された線幅非対称性は、それぞれ0.020および0.021であり、ALN06サンプルの観測平均6Li/7Li比と一致した。
• [Fe/H] = -1.0で非対称性は0.037に増加したが、観測値（0.023）はそれより低く、不一致またはサンプルサイズの制限が示唆された。
• 表面重力が高くなる（log g = 4.5）と、log g = 4.0のときと比べて非対称性は2倍に減少し、表面重力に強く依存することが示された。
• 未発達星HD 19445では、観測信号は0.002であったが、予測された非対称性は0.010であったため、顕著な6Liは必要ないことが示唆された。
• ALN06における顕在的な6Liプラトーは、主に線幅非対称性に起因する誤差であり、真の6Li/7Li比は約0.02低下し、実際に真の6Li検出が確認できる星は1〜2にまで減少することが示唆された。
• 本研究は、7Li線の赤側翼における6Li信号が、主に流体力学的非対称性に起因するものであり、同位体比によるものではないと結論づけた。これにより、確認された6Li検出数は著しく減少した。