[論文レビュー] The role of binaries in the enrichment of the early Galactic halo. II. Carbon-Enhanced Metal-Poor Stars - CEMP-no stars

Terese T. Hansen, J. Andersen+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2015

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 138被引用数 36

ひとこと要約

本研究は、24個の炭素強化金属貧乏星（CEMP-no）の二重星頻度を調査し、炭素過剰が二重星間の物質移転に起因するのか、あるいは初期の宇宙における原始的増幅に起因するのかを検証する。FIES分光計を用いた長期的径速度モニタリングの結果、CEMP-no星のうち17%しか二重星でないことが判明し、炭素過剰が二重星相互作用と関連していないことが示され、これらの星は初期の銀河ハローにおける原始的炭素増幅ガスから形成された可能性が高い。

ABSTRACT

The detailed composition of most metal-poor halo stars has been found to be very uniform. However, a fraction of 20-70% (increasing with decreasing metallicity) exhibit dramatic enhancements in their abundances of carbon - the so-called carbon-enhanced metal-poor (CEMP) stars. A key question for Galactic chemical evolution models is whether this non-standard composition reflects that of the stellar natal clouds, or is due to local, post-birth mass transfer of chemically processed material from a binary companion; CEMP stars should then all be members of binary systems. Our aim is to determine the frequency and orbital parameters of binaries among CEMP stars with and without over-abundances of neutron-capture elements - CEMP-s and CEMP-no stars, respectively - as a test of this local mass-transfer scenario. This paper discusses a sample of 24 CEMP-no stars, while a subsequent paper will consider a similar sample of CEMP-s stars. Most programme stars exhibit no statistically significant radial-velocit variation over this period and appear to be single, while four are found to be binaries with orbital periods of 300-2,000 days and normal eccentricity; the binary frequency for the sample is 17+-9%. The single stars mostly belong to the recently-identified ``low-C band'', while the binaries have higher absolute carbon abundances. We conclude that the nucleosynthetic process responsible for the strong carbon excess in these ancient stars is unrelated to their binary status; the carbon was imprinted on their natal molecular clouds in the early Galactic ISM by an even earlier, external source, strongly indicating that the CEMP-no stars are likely bona fide second-generation stars. We discuss potential production sites for carbon and its transfer across interstellar distances in the early ISM, and implications for the composition of high-redshift DLA systems. Abridged.

研究の動機と目的

• CEMP-no星の二重星の頻度と軌道パラメータを特定し、炭素過剰の原因が二重星間物質移転にあるかどうかを検証すること。
• CEMP-no星に観測された炭素増幅が、二重星同伴星からの出生後物質移転に起因するのか、あるいは母分子雲の原始的増幅を反映しているのかを評価すること。
• CEMP-noサンプルにおける単星と二重星の間で、炭素含有量の分布と頻度を比較すること。
• 炭素含有量帯（低炭素帯と高炭素帯）と二重星状態との関連を調査し、初期星における炭素の起源を制約すること。
• 初期宇宙における炭素の核融合生成機構についての観測的制約を提供し、高赤方偏移DLA系への影響を検討すること。

提案手法

• FIES分光計を用いて、北欧望遠鏡で最大8年間にわたり高分解能・低S/N分光観測を実施した。
• 毎晩のクロス相関を用いて、約100 m s⁻¹の精度で径速度を測定し、軌道的変動を検出する。
• 径速度変動の統計的分析を実施し、二重星系の同定と軌道周期・離心率の決定を行った。
• [Fe/H] < -2.0 かつ [Ba/Fe] < -0.5 を満たす星をCEMP-noと分類し、中性子捕獲元素の増幅を除外した。
• 炭素含有量の分布と低炭素帯・高炭素帯との相関を特定するため、サンプルを単星と二重星に分類した。
• 歴史的およびアーカイブデータを照合し、径速度トレンドの妥当性を検証し、長期的変動を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CEMP-no星における二重星頻度はどの程度であり、炭素増幅の二重星物質移転説を支持するか？
• RQ2 高炭素含有量を示すCEMP-no星は、低炭素含有量の星に比べて二重星の頻度が高いか？
• RQ3 炭素含有量帯（低炭素対高炭素）と二重星同伴星の有無との間に相関があるか？
• RQ4 本サンプルの径速度変動は、同伴星からの物質移転に一致する軌道運動を示しているか？
• RQ5 CEMP-no星に観測された炭素過剰は、出生後の物質移転ではなく、原始的増幅によって説明可能か？

主な発見

• 24個のCEMP-no星における二重星頻度は17 ± 9%であり、4つの星が二重星として同定され、軌道周期は300〜2,000日、通常の離心率を示した。
• 大多数のCEMP-no星（24中20個）は統計的に有意な径速度変動を示さず、単星である可能性が高い。
• 高炭素帯に属する星は高い炭素含有量を示し、二重星である可能性が高く、一方単星は主に低炭素帯に属する。
• 二重星状態と炭素過剰の間に強い相関がないことから、炭素過剰が同伴星からの物質移転に起因するとは考えにくい。
• したがって、観測された炭素増幅は、フェイント超新星やスピンスターような外部源による母分子雲の原始的増幅に起因する可能性が最も高い。
• 結果は、CEMP-no星が初期銀河ハローにおける第一世代星が生成したガスから形成された真の第二世代星であるという結論を支持する。