[論文レビュー] r-Process Abundance Signatures in Metal-Poor Halo Stars

J. J. Cowan, Ian U. Roederer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2011

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、改良された実験室原子データを用いて、金属量が低いハロー星、特にBD+17°3248における中性子捕獲元素の新しい高精度の元素組成測定を提示する。重い$r$-過程元素（Z ≥ 56）は、最も$r$-過程に富む星において、スケーリングされた太陽系$r$-過程パターンと一致するが、軽い$n$-捕獲元素（例：Cd、Lu、Os）はそのパターンから逸脱しており、初期の銀河における$n$-捕獲元素の複数の生成機構を示唆している。

ABSTRACT

Abundance observations indicate the presence of rapid-neutron capture (i.e., r-process) elements in old Galactic halo and globular cluster stars. Recent observations of the r-process-enriched star BD +17 3248 include new abundance determinations for the neutron-capture elements Cd I (Z=48), Lu II (Z = 71) and Os II (Z = 76), the first detections of these elements in metal-poor r-process-enriched halo stars. Combining these and previous observations, we have now detected 32 n-capture elements in BD +17 3248. This is the most of any metal-poor halo star to date. For the most r-process-rich (i.e. [Eu/Fe] ~= 1) halo stars, such as CS 22892-052 and BD +17 3248, abundance comparisons show that the heaviest stable n-capture elements (i.e., Ba and above, Z >= 56) are consistent with a scaled solar system r-process abundance distribution. The lighter n-capture element abundances in these stars, however, do not conform to the solar pattern. These comparisons, as well as recent observations of heavy elements in metal-poor globular clusters, suggest the possibility of multiple synthesis mechanisms for the n-capture elements. The heavy element abundance patterns in most metal-poor halo stars do not resemble that of CS 22892-052, but the presence of heavy elements such as Ba in nearly all metal-poor stars without s-process enrichment indicates that r-process enrichment in the early Galaxy is common.

研究の動機と目的

• 更新された実験室原子データを用いて、金属量が低いハロー星における$n$-捕獲元素の星間元素組成決定の精度を向上させること。
• 古くから存在するハロー星における$r$-過程元素の観測された元素組成パターンが、一様で普遍的な$r$-過程メカニズムと整合しているかどうかを調査すること。
• 太陽系$r$-過程パターンに従わない軽い$n$-捕獲元素（Z < 56）の起源を特定すること。これは、代替的な生成過程からの寄与を示唆する。
• 複数の金属量が低い星および球状星団を分析することで、初期の銀河における$r$-過程の拡散度を評価すること。
• $r$-過程サイトモデルを制約するため、さらなる高分解能紫外分光測定および改善された核データの必要性を同定すること。

提案手法

• Cd I、Lu II、Os IIを含む32種の$n$-捕獲元素について、新たに測定された遷移確率を用いて、星間元素組成の精緻化を図った。
• $r$-過程に富む星（例：BD+17°3248、CS 22892-052）における元素組成をイットリウム（Eu）で正規化し、太陽系$r$-過程元素組成分布との直接比較を可能にした。
• 地上およびハッブル宇宙望遠鏡（HST）機器（例：STIS、COS）を用いた高分解能分光測定により、金属量が低い星の微弱で弱い線、特に紫外領域の線を検出した。
• Arlandiniら（1999）、Simmererら（2004）のスケーリングされた太陽系$r$-過程元素組成モデルを、観測された星間元素組成との比較の基準パターンとして用いた。
• $r$-過程ピーク（Ba以降）および$r$-過程ピーク間隔領域（Z ≈ 56–80）における元素組成傾向を分析し、標準$r$-過程との整合性または逸脱を特定した。
• 観測された軽い$n$-捕獲元素の組成と予測値を比較することで、代替核生成過程（例：弱$r$-過程、$ u$-p過程、LEPP）の役割を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量が低いハロー星における重い$n$-捕獲元素（Z ≥ 56）の組成は、スケーリングされた太陽系$r$-過程パターンと一致するか？
• RQ2 金属量が低いハロー星における軽い$n$-捕獲元素（例：Cd、Pd、Ag、Zr）の組成が、太陽系$r$-過程パターンから逸脱する理由は何か？
• RQ3 $r$-過程は、すべての金属量が低いハロー星における$n$-捕獲元素の主な供給源であるのか、それとも複数の核生成メカニズムが必要か？
• RQ4 金属量および$[Eu/Fe]$が異なる星における$r$-過程元素の存在から、初期の銀河における$r$-過程の拡散度はどの程度広範か？
• RQ5 観測された元素組成パターンは、特に超新星爆発と中性子星合体に関連する$r$-過程の天体的生成サイトにどのような意味を持つのか？

主な発見

• BD+17°3248は、金属量が低いハロー星として、32種の元素が同定された中で、観測された$n$-捕獲元素の数が最多であり、以前の記録（CS 22892-052が保持）を更新した。
• 金属量が低い$r$-過程に富む星（例：BD+17°3248、CS 22892-052）における重い$n$-捕獲元素（Z ≥ 56、BaやHfを含む）の組成は、スケーリングされた太陽系$r$-過程元素組成分布と整合しており、星間で最小限の散らばりが見られた。
• 軽い$n$-捕獲元素（例：Cd I、Z = 48；Lu II、Z = 71；Os II、Z = 76）は、太陽系$r$-過程パターンから顕著に逸脱しており、主な$r$-過程だけではそれらの生成を説明できないことを示している。
• 軽い$n$-捕獲元素の観測された組成パターンは、弱$r$-過程、LEPP、$ u$-p過程、または超新星の核心崩壊における荷電粒子反応など、追加の生成過程からの寄与を示唆している。
• Baなどの$r$-過程元素が、$s$-過程の強化の有無に関わらず、ほぼすべての金属量が低いハロー星に存在することは、初期の銀河で$r$-過程イベントが一般的に発生していたことを示している。
• 金属量が低い球状星団およびハロー星の組成パターンは、$r$-過程が乏しい（例：HD 122563）から$r$-過程に富む（例：CS 22892-052）までの連続的分布を示しており、$r$-過程の生成量の多様性および複数の天体的生成サイトの可能性を示している。