[論文レビュー] The Hamburg/ESO R-process Enhanced Star survey (HERES) XI. The highly $r$-process-enhanced star CS 29497-004

V. Hill, N. Christlieb+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2016

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 98被引用数 52

ひとこと要約

本研究では、高分解能VLT/UVES分光法とMARCSモデル大気を用いた局所熱力学的平衡（LTE）下で、非常に金属不足な巨星でr過程強化星であるCS 29497-004の詳細な元素比分析を実施した。この星のr過程パターンは太陽系第二ピークr過程と一致し、ウランは大きな不確実性を伴って検出された。理論的生成比を用いて平均年齢12.2 ± 3.7 Gyrが導かれた。U/Thから得られる年齢は16.5 ± 6.6 Gyrであり、純粋r過程生成と整合するPbのわずかな検出が示唆された。

ABSTRACT

We report an abundance analysis for the highly r-process-enhanced (r-II) star CS 29497-004, a very metal-poor giant with Teff = 5013K and [Fe/H]=-2.85, whose nature was initially discovered in the course of the HERES project. Our analysis is based on high signal-to-noise, high-resolution (R~75000) VLT/UVES spectra and MARCS model atmospheres under the assumption of local thermodynamic equilibrium, and obtains abundance measurements for a total of 46 elements, 31 of which are neutron-capture elements. As is the case for the other 25 r-II stars currently known, the heavy-element abundance pattern of CS 29497-004 well-matches a scaled Solar System second peak r-process-element abundance pattern. We confirm our previous detection of Th, and demonstrate that this star does not exhibit an "actinide boost". Uranium is also detected (log e(U) =-2.20+/-0.30), albeit with a large measurement error that hampers its use as a precision cosmo-chronometer. Combining the various elemental chronometer pairs that are available for this star, we derive a mean age of 12.2+/-3.7 Gyr using the theoretical production ratios from waiting-point approximation models (Kratz et al. 2007). We further explore the high-entropy wind model (Farouqi et al. 2010) production ratios arising from different neutron richness of the ejecta (Y_e), and derive an age of 13.7+/-4.4 Gyr for a best-fitting Y_e=0.447. The U/Th nuclei-chronometer is confirmed to be the most resilient to theoretical production ratios and yields an age of 16.5+:-6.6 Gyr. Lead (Pb) is also tentatively detected in CS 29497-004, at a level compatible with a scaled Solar r-process, or with the theoretical expectations for a pure r-process in this star.

研究の動機と目的

• 非常に金属不足な巨星であるCS 29497-004（[Fe/H] = -2.85）の中性子捕獲元素の元素比パターンを特定すること。
• 特にトリウウムとウランを用いた放射性核種時計を用いて、星の年齢を評価し、宇宙化学時計法を制約すること。
• 中性子星合体などの特定のr過程生成源を示す「アクチニド類元素の増強（actinide boost）」が、この星に見られるかどうかを調査すること。
• 観測された重元素パターンが、理論的r過程モデル（特に中性子豊富度が変化する高エントロピー風モデルを含む）と整合的であるかどうかを検証すること。

提案手法

• 46元素（うち31元素が中性子捕獲元素）の元素比を測定するために、高信噪比・高分解能（R ~ 75,000）のVLT/UVESスペクトルを用いた。
• 局所熱力学的平衡（LTE）を仮定し、MARCSモデル大気を用いてスペクトル線から元素比を導出した。
• 中性子捕獲元素の包括的なラインリストを用い、複数の文献から得た超微細構造パラメータおよび遷移確率を用いた。
• 宇宙化学時計法として、複数の核種対（例：Th, U, Pa）と、待ち時間近似モデル（Kratz et al. 2007）および高エントロピー風モデル（Farouqi et al. 2010）からの理論的生成比を用いた。
• 高エントロピー風モデルにおける電子分率（Ye）を調整することで、理論的生成比を変化させ、最良の一致年齢を得た。
• Pbの検出は、純粋r過程の理論的期待値と観測された元素比を比較することで、仮の検出として評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CS 29497-004の元素比パターンは、スケーリングされた太陽系第二ピークr過程パターンと一致するか？ これによりr-II分類の確認が可能か？
• RQ2 この星は「アクチニド類元素の増強」を示すか？ これは中性子星合体を示唆するが、核心崩壊超新星とは異なる起源を示唆する。
• RQ3 複数の放射性核種時計を用いたCS 29497-004の年齢は何か？ また、異なる理論的生成モデルが結果に与える影響は？
• RQ4 CS 29497-004にPbが検出されるか？ その元素比は純粋r過程または太陽系r過程生成と整合的か？

主な発見

• CS 29497-004の重元素比パターンは、スケーリングされた太陽系第二ピークr過程パターンと一致し、r-II星としての分類が確認された。
• トリウウムが確認されたが、「アクチニド類元素の増強」の証拠は見つからず、r過程の起源が中性子星合体ではなく、おそらく核心崩壊超新星である可能性が示唆された。
• ウランはlogε(U) = -2.20 ± 0.30で検出されたが、大きな不確実性のため、正確な宇宙化学時計としての利用は制限される。
• 待ち時間近似モデルからの理論的生成比を用いた場合、CS 29497-004の平均年齢は12.2 ± 3.7 Gyrと導かれた。
• Ye = 0.447の高エントロピー風モデルを用いた場合、年齢は13.7 ± 4.4 Gyrとなり、宇宙の年齢範囲の下限に一致した。
• U/Th核時計による年齢推定が最も信頼性が高く、16.5 ± 6.6 Gyrが得られ、この星は既知の最も古い天体の一つであることが示唆された。
• Pbは、スケーリングされた太陽系r過程と純粋r過程の理論的期待値の両方に整合する水準で、仮の検出がなされた。