[論文レビュー] The extreme r-element rich, iron-poor halo giant CS31082-001: Implications for the r-process site(s) and radioactive cosmochronology

V. Hill, B. Plez+11 more|ArXiv.org|Mar 26, 2002

Stellar, planetary, and galactic studies被引用数 282

ひとこと要約

本研究では、高分解能VLT/UVES分光計を用いた観測により、金属量が極めて低いハロー巨星CS 31082-001におけるウランの正確な質量分数量測が初めて実現された。その結果、星間のアクチニド領域における核生成の違いが顕著に示され、この対象に対してTh/Eu年代測定法が無効であることが判明したが、U/Thは信頼性の高い年齢指標として確認され、推定年齢は14.0 ± 2.4 Gyrとなった。

ABSTRACT

We present a high-resolution spectroscopic analysis of the bright (V=11.7), extreme halo giant CS31082-001 ([Fe/H] = -2.9), obtained in an ESO-VLT Large Programme dedicated to very metal-poor stars. We find CS31082-001 to be extremely rich in r-process elements, comparable in this respect only to the similarly metal-poor, but carbon-enriched, giant CS22892-052. As a result of the extreme overabundance of the heaviest r-process elements, and negligible blending from CH and CN molecular lines, a reliable measurement is obtained of the U II line at 386 nm, for the first time in a halo star, along with numerous lines of Th II, as well as lines of 25 other r-process elements. Abundance estimates for a total of 43 elements are reported in CS31082-001, almost half of the entire periodic table. All elements with 56 \leq Z \leq 72 follow the Solar r-element pattern, reduced by about 1.25 dex ([r/Fe]=+1.7 dex, a factor 50). Pb, in contrast, seems to be below the shifted Solar r-process distribution, possibly indicating an error in the latter, while thorium is more enhanced than the lighter nuclides. Thus, while a universal production ratio for the r-process elements seems to hold in the interval 56 \leq Z \leq 72, it breaks down in the actinide region. When available, the U/Th is thus preferable to Th/Eu for radioactive dating: (i) because of its faster decay rate and smaller sensitivity to observational errors, and (ii) because the inital production ratio of the neighboring nuclides 238U and 232Th is more robustly predicted than the 151Eu/232Th ratio. Our current best estimate for the age of CS31082-001 is 14.0+/-2.4 Gyr.

研究の動機と目的

• 極めて金属量が低く、r過程元素が豊富なハロー巨星CS 31082-001におけるウランおよび他のr過程元素の質量分数量測を目的とする。
• 銀河における最も古い星の年代測定に用いられるTh/EuおよびU/Th年代測定法の信頼性を評価することを目的とする。
• r過程核生成の違いが個々の星に固有のものであるのか、環境要因に起因するものであるのかを調査することを目的とする。
• 特にアクチニド領域（Z ≥ 90）におけるr過程生成比の普遍性が、さまざまな金属量が低い星においてどのように保たれるかを検証することを目的とする。
• 今後の高分解能紫外観測における崩壊生成物（Pb や Bi など）のベンチマークを提供することを目的とする。

提案手法

• VLT/UVES機器を用いた、CS 31082-001の高分解能（R = 75,000）かつ高信号対雑音比（S/N ~ 500）分光観測。
• 局所熱力学的平衡（LTE）モデルを用いたスペクトル解析。得られた大気パラメータは、Teff = 4825 ± 50 K、log g = 1.5 ± 0.3、[Fe/H] = -2.9 ± 0.1、および微乱流速度 = 1.8 ± 0.2 km/s である。
• 文献からの原子データを用い、ラインプロファイルフィッティングにより43元素（U、Th、Eu、Pb、Biなどを含む）の質量分数量測を実施。分子混合の影響がある場合には補正を施した。
• 測定されたライン強度と更新されたU II 386 nm線の遷移確率を用いて、U/Th質量分数量比を計算した。
• U/Th崩壊系を用いた年齢推定。既知の初期生成比を仮定し、崩壊則：N_U/N_Th = N_0,U/N_0,Th × exp(-λ_U t) / exp(-λ_Th t) を適用した。
• 観測されたU/ThおよびTh/Eu比を太陽系の値と、CS 22892-052の値と比較し、r過程生成量の一貫性と普遍性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量が低いハロー巨星CS 31082-001におけるウランの正確な質量分数量は何か？ そして、ハロー星において初めて信頼性を持って測定可能であるか？
• RQ2 CS 31082-001におけるTh/Eu質量分数量比は、普遍的なr過程生成比を支持するのか、それとも星ごとの核生成差異を示唆するのか？
• RQ3 初期生成比が不確実な場合に、極めて金属量が低い星においてU/Th比がTh/Eu比よりもより信頼性の高い年齢指標であるとされる根拠は何か？
• RQ4 CS 31082-001における観測されたr過程元素の質量分数量は、太陽系のr過程パターンと比較して、特にアクチニド領域（Z ≥ 90）でどのように異なるか？
• RQ5 観測されたU/ThおよびTh/Eu比は、CS 31082-001の年齢にどのような制約を課すか？ また、CS 22892-052のような他の星から得られる年齢と比較するとどうなるか？

主な発見

• ハロー星においてU II 386 nm線が初めて測定され、CS 31082-001におけるウラン質量分数量の直接的決定が可能となった。
• 測定されたU/Th質量分数量比は log(Th/Eu) = -0.22 ± 0.07 であり、太陽系（-0.46）やCS 22892-052（-0.66）とは顕著に異なり、アクチニド生成比が異なることを示している。
• 初期U/Th生成比が普遍的であると仮定した場合、CS 31082-001の年齢は14.0 ± 2.4 Gyrと推定された。
• CS 22892-052や太陽系と同一の初期比を仮定した場合、Th/Eu年代測定法はこの星に対して失敗し、物理的に不適切な負の年齢が得られる。
• 238Uと232Thは類似した原子核構造を持ち、r過程中での生成比がより安定しているため、U/Th比はTh/Eu比よりも年齢測定に優れた指標である。
• 観測されたU/Th比は、CS 22892-052における上限（U/Th ≤ -0.94）と整合的であり、全体的なTh質量分数量の違いがあるにもかかわらず、両星の年齢の一貫性を支持している。