[論文レビュー] Silicon and Strontium abundances of very metal-poor stars determined from near-infrared spectra

Wako Aoki, Timothy C. Beers+20 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 41被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、すばる望遠鏡のIRDS機器を用いて得られた高分解能近赤外分光スペクトルを用いて、6つの非常に金属不足星におけるケイ素およびストロンチウムの元素比を決定した。26本の線から信頼性の高いSiの元素比を報告し、全星で[Si/Fe] ≈ +0.5を示した。1つの炭素過剰星を除き、[Mg/Si]比は一貫しており、4つの星でSrを測定し、そのうち2つは初回の測定であった。近赤外と可視光帯の結果の間で予備的な一貫性が得られた。

ABSTRACT

Silicon and Strontium are key elements to explore the nucleosynthesis and chemical evolution of the Galaxy by measurements of very metal-poor stars. There are, however, only a few useful spectral lines of these elements in the optical range that are measurable for such low-metallicity stars. Here we report on abundances of these two elements determined from near-infrared high-resolution spectra obtained with the Subaru Telescope Infrared Doppler instrument (IRD). Si abundances are determined for as many as 26 Si lines for six very and extremely metal-poor stars (-4.0<[Fe/H]<-1.5), which significantly improves the reliability of the abundance measurements. All six stars, including three carbon-enhanced objects, show over-abundances of Si ([Si/Fe]~+0.5). Two stars with [Fe/H]~-1.5 have relatively small over-abundances. The [Mg/Si] ratios agree with the solar value, except for one metal-poor star with carbon excess. Strontium abundances are determined from the triplet lines for four stars, including two for the first time. The consistency of the Sr abundances determined from near-infrared and optical spectra require further examination from additional observations.

研究の動機と目的

• 非常に金属不足（VMP）星におけるケイ素の元素比測定の信頼性を、近赤外（NIR）分光線を用いることで向上させること。
• 特に可視光線が強すぎるか存在しない星において、NIR線を用いてVMP星におけるストロンチウムの元素比を決定すること。
• NIRおよび可視光分光法から得られるSrの元素比の整合性を評価すること。
• 高精度な元素比を用いて、初期銀河化学進化におけるSiおよびSrの核合成起源を解明すること。
• 超新星前身星の質量および初期銀河の物質増幅プロセスを示す指標としての[Mg/Si]比を検討すること。

提案手法

• [Fe/H] < −1.5を満たす6つのVMP星に対して、すばる望遠鏡の赤外ドップラー（IRD）装置を用いて高分解能近赤外分光スペクトルを取得した。
• 1000–1700 nmの波長範囲にわたる、中程度から強い強度を持つ線に注目し、26本のSi I線および12本のSr II線の等価幅を測定した。
• 合成スペクトルを用いたスペクトル合成により元素比を導出し、大気パラメータ（Teff、log g、[Fe/H]、vturb）は文献値を用いるか、本研究で更新した。
• 太陽基準値を用いて元素比を補正した：log ε⊙(Si) = 7.51 および log ε⊙(Sr) = 2.87。
• NIR線の結果を以前の可視光測定と比較し、一貫性を評価するとともに、不確実性の見積もりを改善した。
• 誤差伝搬および線ごとの散らばりを用いて元素比の不確実性を推定し、各星についてNおよびσN−1/2を報告した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近赤外分光法は、可視光分光法に比べて、VMP星におけるSiの元素比測定をより信頼性高く、高精度に可能にするか？
• RQ2 6つのVMP星における[Si/Fe]および[Mg/Si]の元素比は何か？また、太陽値や既存の研究と比較するとどうなるか？
• RQ3 特に金属量が高く、Srが過剰な星においても、NIR三重線を用いてSrの元素比を信頼性高く測定できるか？
• RQ4 同一星についてNIRおよび可視光分光線から得られるSrの元素比はどれほど整合性があるか？
• RQ5 SiおよびSrの元素比パターンは、初期銀河における核合成プロセスにどのような示唆を与えるか？

主な発見

• ケイ素の元素比は、6つのVMP星で26本の個別線から決定され、以前の研究が2本の可視光線に依存していたのと比べ、測定の信頼性が著しく向上した。
• 3つの炭素過剰星を含む全6つの星で、[Si/Fe] ≈ +0.5のケイ素過剰が確認され、これは大質量星またはコアコリプス超新星からの一貫した物質増幅を示唆している。
• 1つの炭素過剰星（J2217+2104）を除き、全星で[Mg/Si]比が太陽値と一致しており、[Mg/Si] = 1.46の異常値は核合成生成物のずれを示唆している可能性がある。
• 4つの星でNIR三重線を用いてSrの元素比を導出し、そのうちHD 4306およびHD 25329の2つは本研究で初めて測定された。
• NIRおよび可視光分光法から得られたSrの元素比は予備的に一貫しており、今後の観測によりこの一致が確認される必要がある。
• Siの平均不確実性はσ ≈ 0.04–0.13 dexであり、HD 201626では44本の測定可能な線のおかげで最小の不確実性（0.019 dex）が達成された。