[論文レビュー] The Radioactive Nuclei $^{ extbf{26}}$Al and $^{ extbf{60}}$Fe in the Cosmos and in the Solar System

R. Diehl, Maria Lugaro+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2021

Gamma-ray bursts and supernovae参考文献 3被引用数 1

ひとこと要約

この包括的なレビューは、$^{26}$Al および $60$Fe の放射性同位体に関する天文学的および核物理学的知見を統合し、ガンマ線天文学、宇宙線データ、星間塵、深海堆積物、および予備星物質粒の観測によって測定された崩壊シグナルが、恒星核合成、銀河系内物質輸送、および太陽系形成のダイナミクスを明らかにすることを示している。主な貢献は、最近の銀河系核合成のタイミング、源、空間的不均一性を制約する強力なプローブとしての $^{26}$Al/$^{60}$Fe 同位体比の同定にある。これは、銀河系間銀河媒体における一様混合を仮定する標準モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The cosmic evolution of the chemical elements from the Big Bang to the present time is driven by nuclear fusion reactions inside stars and stellar explosions. A cycle of matter recurrently re-processes metal-enriched stellar ejecta into the next generation of stars. The study of cosmic nucleosynthesis and of this matter cycle requires the understanding of the physics of nuclear reactions, of the conditions at which the nuclear reactions are activated inside the stars and stellar explosions, of the stellar ejection mechanisms through winds and explosions, and of the transport of the ejecta towards the next cycle, from hot plasma to cold, star-forming gas. Due to the long timescales of stellar evolution, and because of the infrequent occurrence of stellar explosions, observational studies are challenging. Due to their radioactive lifetime of million years, the 26Al and 60Fe isotopes are suitable to characterise simultaneously the processes of nuclear fusion reactions and of interstellar transport. We describe and discuss the nuclear reactions involved in the production and destruction of 26Al and 60Fe, the key characteristics of the stellar sites of their nucleosynthesis and their interstellar journey after ejection from the nucleosynthesis sites. We connect the theoretical astrophysical aspects to the variety of astronomical messengers, from stardust and cosmic-ray composition measurements, through observation of gamma rays produced by radioactivity, to material deposited in deep-sea ocean crusts and to the inferred composition of the first solids that have formed in the Solar System. We show that considering measurements of the isotopic ratio of 26Al to 60Fe eliminate some of the unknowns when interpreting astronomical results, and discuss the lessons learned from these two isotopes on cosmic chemical evolution.

研究の動機と目的

• 銀河内における $^{26}$Al および $60$Fe の起源と進化に関する天文学的および核物理学的視点を統合すること。
• 理論的モデルと観測データの乖離、特に最近の核合成イベントのタイミングおよび空間的分布に関する乖離を解消すること。
• 最近の核合成のタイミング、源、空間的不均一性を制約するための $^{26}$Al/$^{60}$Fe 同位体比が、銀河系媒体の不均一性および輸送 timescale を探査する診断ツールとして機能することを示すこと。
• ガンマ線、宇宙線、星間塵、深海堆積物、予備星物質粒といった多様な天体的メッセンジャーを統合し、宇宙化学的進化の整合的図像を構築すること。

提案手法

• 理論的核反応断面積と星の進化モデルを組み合わせ、大質量星および核心崩壊超新星における $^{26}$Al および $60$Fe の生成をシミュレートする。
• 特に INTEGRAL および Fermi-LAT からの銀河平面のガンマ線放射データを分析し、$^{26}$Al および $60$Fe の崩壊の空間的・時間的分布を推定する。
• 宇宙空間に設置された検出器による宇宙線測定を解釈し、局所銀河系間媒体における $^{26}$Al および $60$Fe の局所的生成および伝搬を評価する。
• 予備星物質の炭化ケイ酸塩および酸化物粒子における同位体不均一性を評価し、恒星の噴出物が太陽系円盤に注入された履歴を追跡する。
• 深海の地殻からの記録（例：約 2.5–6 Myr 前の $^{60}$Fe 堆積物）を天文学的観測と比較し、近接する超新星の発生タイミングを制約する。
• 銀河系媒体の混合、輸送、核合成源の寄与を検証するため、$^{26}$Al/$^{60}$Fe 比を診断ツールとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $^{26}$Al（星風からの排出）と $^{60}$Fe（核心崩壊超新星からの排出）の異なる排出 timescale が、銀河内における観測された空間的・時間的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 なぜ深海の $^{60}$Fe 堆積物は、単一の超新星イベントとは整合しない約 8 Myr の期間にわたる流入を示唆しているのか？
• RQ3 標準的な銀河系化学進化モデル（即時混合を仮定）が予測するガンマ線観測と比較して、の Milky Way 内の $^{26}$Al および $60$Fe の観測はどの程度ずれているか？
• RQ4 宇宙線および銀河系間媒体内の $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比をどのように用いて、局所的および遠方の核合成源を区別できるか？
• RQ5 予備星物質粒および深海堆積物における同位体比は、銀河系内輸送および太陽系形成の効率とタイミングについて、どのような情報を示しているか？

主な発見

• 拡散的な銀河系ガンマ線放射における $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比は、単一の超新星起源とは整合しない現在の核合成供給を示唆しており、連続的または集団的な生成メカニズムを示している。
• 約 2.5–6 Myr 前に年代測定された深海の $^{60}$Fe 堆積物は、単一の超新星イベントとは整合しない、長期間にわたる銀河系間ダストおよび核種の流入を示しており、複数または拡張された源を示唆している。
• 宇宙線測定では、$^{60}$Fe が局所銀河系間媒体に存在していることが判明しており、これは $^{60}$Fe が $^{26}$Al とは異なりスパラレーションによって生成されないため、最近の超新星活動の強い証拠である。
• 観測された $^{26}$Al および $60$Fe ガンマ線放射パターンは、銀河系間媒体内に広がる大規模なキャビティおよびバブル構造が、噴出物の輸送に顕著な役割を果たしていることを示唆しており、$^{26}$Al が予想よりも長期間、高速流れにとどまっている。
• 予備星物質の炭化ケイ酸塩粒および深海堆積物における $^{26}$Al/$^{60}$Fe 比は、銀河系平均とは乖離しており、太陽系が近くの大質量星の影響を受ける化学的に不均一な環境に形成されたことを示している。
• 即時混合を仮定する標準的な銀河系化学進化モデルは、$^{26}$Al および $60$Fe の観測された空間的・時間的不均一性を再現できないため、時間的・空間的依存の輸送および混合プロセスを含むモデルの必要性が示された。