[論文レビュー] Short-Lived Radionuclides in Meteorites and the Sun's Birth Environment

Steven J. Desch, Edward Young+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、$^{26}$Al、$^{53}$Mn、$^{182}$Hf、特に$^{10}$Beのような短期間のラジオアイソトープ（SLRs）が太陽系円盤に均一に分布していたことが示され、それらが太陽の出生時の分子雲から継承されたものであり、局所的に生成されたものではないことを示している。$^{10}$Beの均一性—他の大多数のSLRsとは異なり—太陽が銀河の高密度星形成領域に位置するスパイラルアームで形成されたことを示唆しており、特にワルフ＝レーティン星が数千万年にわたり雲をSLRsで汚染した可能性がある。

ABSTRACT

The solar nebula contained a number of short-lived radionuclides (SLRs) with half-lives of tens of Myr or less, comparable to the timescales for formation of protostars and protoplanetary disks. Therefore, determining the origins of SLRs would provide insights into star formation and the Sun's astrophysical birth environment. In this chapter, we review how isotopic studies of meteorites reveal the existence and abundances of these now-extinct radionuclides; and the evidence that the SLR ${}^{10}{ m Be}$, which uniquely among the SLRs is not produced during typical stellar nucleosynthesis, was distributed homogeneously in the solar nebula. We review the evidence that the SLRs ${}^{26}{ m Al}$, ${}^{53}{ m Mn}$, and ${}^{182}{ m Hf}$, and other radionuclides, were also homogeneously distributed and can be used to date events during the Solar System's planet-forming epoch. The homogeneity of the SLRs, especially ${}^{10}{ m Be}$, strongly suggests they were all inherited from the Sun's molecular cloud, and that production by irradiation within the solar nebula was very limited, except for ${}^{36}{ m Cl}$. We review astrophysical models for the origin of ${}^{10}{ m Be}$, showing that it requires that the Sun formed in a spiral arm of the Galaxy with higher star formation rate than the Galaxy-wide average. Likewise, we review the astrophysical models for the origins of the other SLRs and show that they likely arose from contamination of the Sun's molecular cloud by massive stars over tens of Myr, most likely dominated by ejecta from Wolf-Rayet stars. The other SLRs also demand formation of the Sun in a spiral arm of the Galaxy with a star formation rate as high as demanded by the Solar System initial ${}^{10}{ m Be}$ abundance. We discuss the astrophysical implications, and suggest further tests of these models and future directions for the field.

研究の動機と目的

• 隕石に含まれる短期間のラジオアイソトープ（SLRs）の起源を特定し、太陽の出生環境に与える意味を明らかにすること。
• 隕石の初期太陽系物質において、$^{10}$Be、$^{26}$Al、$^{53}$Mn、$^{182}$Hf などのSLRsが太陽系円盤に均一に分布していたかどうかを評価すること。
• SLRsが太陽の分子雲から継承されたものか、あるいは原始惑星系円盤内での放射線照射によって生成されたものかを検証すること。
• 観測されたSLRsの同位体比を説明するにあたって必要な天体物理学的条件—特に星形成速度と銀河内での位置—を制約すること。
• 現在のSLRsの起源および分布に関するモデルを検証できる将来の隕石的および天体物理学的測定を特定すること。

提案手法

• CAIおよび他の初期太陽系物質の同位体分析により、内部等時線を用いて初期SLRsの同位体比を測定する。特に$^{26}$Alについては$^{26}$Mg/$^{24}$Mg比、$^{10}$Beについては$^{10}$Be/$^9$Be比を用いる。
• 同一サンプル内でPb-Pb、Al-Mg、Mn-Cr、Cl-S、Hf-Wといった複数の時計を用いて同位体の均一性を検証し、年代測定の相関をとる。
• 特にワルフ＝レーティン星を含む大質量星におけるSLRs生成と、超新星および星風による分子雲への注入をモデル化する。
• 銀河化学進化モデルを用いて、太陽の出生環境における星形成速度とSLRsの空間的分布を推定する。
• 年齢推定モデルに拡散係数および更新された半減期（例：$^{107}$Pd、$^{53}$Mn）を組み込み、年代測定の精度を向上させる。
• 銀河からの$^{26}$Alおよび$^{60}$Feのγ線放射マップとモデル予測を比較し、SLRsの注入シナリオを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $^{10}$Be—標準核合成で生成されない唯一のSLR—は太陽系円盤に均一に分布していたのか。そのことから、その起源に何が示唆されるのか。
• RQ2 銀河内での星形成速度および位置といった天体物理学的条件—特に星形成速度と銀河内での位置—は、太陽系円盤に観測された初期$^{10}$Beの同位体比を説明するためにどの程度必要だったのか。
• RQ3 他のSLRs、たとえば$^{26}$Al、$^{53}$Mn、$^{182}$Hf はどの程度均一に分布していたのか。そのことから、太陽の分子雲が大質量星によって汚染された起源に関する何が示唆されるのか。
• RQ4 同一隕石サンプル内で複数の時計（例：Al-Mg、Cl-S、Pb-Pb）を用いた連続的な同位体測定により、不均一性の解消と不一致の検証はどの程度可能になるのか。
• RQ5 銀河宇宙線および局所的放射線が$^{36}$Clの生成に果たした役割は何か。他のSLRsとはどのように異なるのか。

主な発見

• 隕石からの同位体データは、$^{10}$Beが太陽系円盤に均一に分布していたことを示しており、これは、太陽の分子雲から継承されたものであり、局所的に生成されたものではないという強い証拠である。
• 初期$^{10}$Beの同位体比は、太陽が銀河のスパイラルアームで形成され、銀河全体の平均よりも著しく高い星形成速度を示す環境にあったことを要求しており、雲内滞在時間が約200 Myrに相当する。
• 複数の隕石サンプルにわたる$^{26}$Al、$^{53}$Mn、$^{182}$Hf および他のSLRsの均一性は、太陽の分子雲が数千万年にわたり大質量星からの汚染を受けて起源を共有したという共通の起源を支持する。
• 大部分のSLRsが太陽系円盤内で局所的に生成された可能性は低いことがデータで排除され、$^{36}$Clを除き、$^{36}$Clは円盤の消失過程中の放射線照射によって生成された可能性が高い。
• 必要な星形成速度とSLRsの注入 timescale は、超新星や漸近巨星分支星ではなく、主にワルフ＝レーティン星の噴出物に支配されるモデルと整合的である。
• $^{135}$Cs/$^{133}$Csおよび$^{107}$Pd/$^{108}$Pd比のより厳密な制約が、分子雲の連続的自己増殖モデルの検証に強力なテストを提供する可能性がある。