[論文レビュー] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) III. HE 0338-3945 and the formation of the r+s stars

K. Jonsell, P. S. Barklem+5 more|ArXiv.org|Jan 20, 2006

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 122被引用数 91

ひとこと要約

本論文は、金属量が極めて低い星 HE 0338-3945（[Fe/H] = -2.42）の高分解能分光解析を提示し、r過程およびs過程元素（Eu, Ba, La, C など）の極端な過剰を明らかにした。これにより、r+s星と呼ばれる新しい星のクラスが定義された。非局所熱平衡（non-LTE）および熱的非均一性の不確実性が存在するが、データは二重星の片方が質量移動を経て起源を共有している可能性を示唆している。しかしながら、r過程生成の正確なメカニズムについては、超新星誘発形成や高中性子密度s過程といった、互いに競合する仮説の間でまだ明確でない。

ABSTRACT

We have derived abundances of 33 elements and upper limits for 6 additional elements for the metal-poor ([Fe/H] = -2.42) turn-off star HE 0338-3945 from high-quality VLT-UVES spectra. The star is heavily enriched, by about a factor of 100 relative to iron and the Sun, in the heavy s-elements (Ba, La, ..). It is also heavily enriched in Eu, which is generally considered an r-element, and in other similar elements. It is less enriched, by about a factor of 10, in the lighter s-elements (Sr, Y and Zr). C is also strongly enhanced and, to a somewhat lesser degree, N and O. These abundance estimates are subject to severe uncertainties due to NLTE and thermal inhomogeneities which are not taken into detailed consideration. However, an interesting result, which is most probably robust in spite of these uncertainties, emerges: the abundances derived for this star are very similar to those of other stars with an overall enhancement of all elements beyond the iron peak. We have defined criteria for this class of stars, r+s stars, and discuss nine different scenarios to explain their origin. None of these explanations is found to be entirely convincing. The most plausible hypotheses involve a binary system in which the primary component goes through its giant branch and asymptotic giant branch phases and produces CNO and s-elements which are dumped onto the observed star. Whether the r-element Eu is produced by supernovae before the star was formed (perhaps triggering the formation of a low-mass binary), by a companion as it explodes as a supernova (possibly triggered by mass transfer), or whether it is possibly produced in a high-neutron-density version of the s-process is still unclear. Several suggestions are made on how to clarify this situation.

研究の動機と目的

• 高分解能VLT-UVESスペクトルを用いて、金属量が低い星 HE 0338-3945 の元素組成パターンを特定すること。
• r過程およびs過程元素の同時過剰を特徴とする、r+s星と呼ばれる新しい星のクラスを同定・特徴づけること。
• 特に二重星の進化と核融合過程に注目し、r+s星の起源を示す複数の天体物理学的シナリオを評価すること。
• 非局所熱平衡（non-LTE）および3次元効果が、Eu やその他の重要なn捕獲元素の組成推定に与える影響を評価すること。
• r+s星の観測された化学的均一性と空間的分布が、r-II巨星と比較して示す意味を検討すること。

提案手法

• チリのパラナル観測所に設置されたVLT-UVES機器を用いた高分解能・高信号対雑音比分光測定。
• モデル大気と線幅合成を用いて、33元素の組成分析および6つの追加元素の上限値推定。
• 組成推定の正確性を向上させるために、非局所熱平衡補正と熱的非均一性の検討を実施。
• [Eu/Fe]、[Ba/Eu]、[Ba/Fe]比に基づき、星をr+s星とr-II星に分類。
• 観測された組成パターンをスケーリングされた太陽系r過程およびs過程モデルと比較。
• r+s星形成のための9つの天体物理学的シナリオ（二重星の質量移動、超新星誘発、高中性子密度s過程など）を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属量が低い星 HE 0338-3945 の詳細な組成パターンは何か？ 他のr過程およびs過程強化星と比較してどのように異なるか？
• RQ2 r+s星（HE 0338-3945を含む）に共存するr過程およびs過程元素の過剰を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 なぜr+s星は主に主系列の終焉星（turn-off星）であるのに対し、r-II星はすべて巨星であるのか？ これは質量移動と希釈にどのような意味をもたらすか？
• RQ4 非局所熱平衡（non-LTE）および3次元効果が、これらの星におけるEu やその他の重要なn捕獲元素の推定組成にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 二重星進化、超新星誘発形成、または高中性子密度s過程といったシナリオの中で、観測された化学的均一性と組成パターンを最もよく説明するのはどれか？

主な発見

• 星 HE 0338-3945 は極端な過剰を示す：Ba や La などの重いs過程元素で太陽比の約100倍、Sr や Y、Zr などの軽いs過程元素で約10倍、C、N、O も強化されている。
• Eu は鉄に対して約100倍の過剰を示しており、これはr過程寄与が顕著であることを示唆するが、標準モデルではs過程元素に分類される。
• HE 0338-3945 の組成パターンは他のr+s星とよく一致しており、r過程およびs過程の共時的増幅を示す、明確に区別される金属量が低い星のクラスが存在することを支持する。
• r+s星における観測された化学的均一性は、共通の起源、特に進化した伴星からの質量移動を示唆している。
• 提示された9つのシナリオのうち、いずれも完全には説得力がないが、最も妥当なのは、主星がs元素およびCNOを生成し、r過程元素が超新星または高中性子密度s過程によって供給された二重星系である。
• いくつかのr+s星で径速度変動が認められないことは、一部のシナリオに反するが、主系列以前に質量移動が発生した二重星系ではデータと整合的である。