[論文レビュー] Testing the Primary Origin of Be and B in the Early Galaxy

E. Vangioni–Flam, R. Ramaty+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 1998

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、初期銀河におけるベリリウム（Be）とボロン（B）が、質量 60 M☉ 以上の巨大星の超新星（SNeII）によって主に生成されたものか、それともすべてのタイプII超新星（M > 8 M☉）によって生成されたものかを検証する。その仮説では、Be/Fe比の進化様式が、どちらのシナリオが正しいかによって異なる：すべてのSNeIIが寄与する場合、比は一定である。一方、最も質量の大きな星のみが寄与する場合、非常に低金属量で比が高くなる。主な結果として、[Fe/H] ≤ -3 の高精度観測によって、これらのモデルを区別でき、Be/Bの濃度に見られるプラトーを説明するために非一様ビッグバン核合成を仮定する必要がなくなる可能性がある。

ABSTRACT

Two types of models have been proposed to explain the linear rise of the Be and B abundances as a function of iron observed in metal poor halo stars. In both cases, this linearity indicates that freshly synthesized C and O are accelerated by Type II supernovae and subsequently fragmented into Be and B. One mechanism advocates shock acceleration in the gaseous phase of superbubbles excavated by collective SNII explosions. Because of their short lifetimes, only the most massive stars (with an initial mass greater than 60\msun) do not drift out of superbubbles, and participate in BeB production. The second mechanism is based on the acceleration of the debris of grains formed in the ejecta of all SNIIs (originating from stars with initial mass greater than 8\msun). Here again, fresh C and O are sped up to cosmic ray energies by shocks. We propose a possible test to discriminate between the two scenarios. If supernovae of all masses are involved in BeB production, the Be/Fe ratio is constant, since both elements are produced in the same events. Alternatively, when only the most massive stars are involved in Be production, Be/Fe is enhanced at very early times because of the shorter lifetimes of these stars. This predicted difference in the behavior of Be/Fe could be tested by high quality observations at [Fe/H] $\lsim -3$. We also note that the solution invoking only the most massive supernovae mimics a flat evolution of both Be/H and B/H as a function of Fe/H at low metallicity, and could thus resemble a "plateau" for these elements despite a lack of a primordial Big Bang nucleosynthesis origin. Consequently, there may be no need to invoke inhomogeneous Big Bang models to explain the initial production of BeB should a plateau be discovered.

研究の動機と目的

• 金属貧乏なハロー星におけるBeとBの起源が、スーパーバブル内でのCおよびOの衝撃加速に起因するか、それともSNeII噴出物の粒子降着由来かを検証すること。
• 金属貧乏星におけるBeとBの鉄濃度に対する線形上昇の曖昧さを解消すること。
• 低金属量における観測的検証可能な基準として、Be/Fe比の進化を提示し、2つの競合する生成メカニズムを区別すること。
• 低金属量におけるBe/HおよびB/Hのプラトーが、非一様ビッグバン核合成を仮定せずに、一次的起源によって説明可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 2つのシナリオの下でBe/Fe比をモデル化する：(1) Be生成に寄与するのは最も質量の大きなSNeII（M > 60 M☉）のみ、(2) すべてのSNeII（M > 8 M☉）が寄与する。
• 巨大星の微分的寿命を用いて、初期銀河進化段階でBeを生成するのは、最も質量の大きなSNeIIに限られることを予測する。
• Be/Fe比の[Fe/H]依存性を計算し、高質量SNeIIのみが寄与する場合、[Fe/H] ≤ -3 で比が高くなることを示す。
• 予測されたBe/Feの振る舞いを観測データと比較し、2つのモデルを検証する。
• 低金属量におけるBe/B濃度のプラトーが、一次的起源によって説明可能かどうかを評価し、非一様ビッグバン核合成を必要としないかを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Be/Fe比が[Fe/H] ≤ -3 において、最も質量の大きなSNeIIのみがBeを生成するか、すべてのSNeIIが寄与するかを区別できるか？
• RQ2 低金属量におけるBe/HおよびB/H濃度のプラトーが、非一様ビッグバン核合成を仮定せずに、SNeIIの一次的起源によって説明可能か？
• RQ3 金属貧乏星におけるBeとBの鉄濃度に対する観測された線形上昇は、スーパーバブル内での衝撃加速か、粒子降着由来の加速かと整合するか？
• RQ4 巨大星の微分的寿命は、初期銀河におけるBeとB生成のタイミングにどのように影響するか？
• RQ5 最も質量の大きなSNeIIのみがBeを生成するというシナリオを確認または除外するための、Be/Fe比における観測的シグネチャーは何か？

主な発見

• 最も質量の大きなSNeII（M > 60 M☉）のみがBeを生成する場合、その短い寿命のため、非常に低金属量（[Fe/H] ≤ -3）でBe/Fe比が高くなる。
• すべてのSNeII（M > 8 M☉）がBe生成に寄与する場合、金属量にかかわらずBe/Fe比は概ね一定に保たれる。
• Be/Fe比の進化様式は、2つのBe生成メカニズムを明確に区別する観測的テストを提供する。
• 最も質量の大きなSNeIIのみが関与するシナリオでは、初期核合成を仮定しなくても、Be/HおよびB/Hのプラトーを模倣できる。
• Beが主に高質量SNeIIによって生成される場合、低金属量におけるBe/B濃度のプラトーは、非一様ビッグバン核合成を仮定しなくても説明可能である。